大气压气体放电电磁辐射特性研究*

关银霞

(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266104)

0 前言

大气压气体放电低温等离子体技术由于高效灵活的优势,近年来在环境污染治理[1-4]、生物医学[5-7]及材料改性[8,9]等应用领域得到广泛研究。气体放电过程主要由大量气体分子在外部能量的激励下发生一系列的激发电离过程,进而形成具有高能量、高反应活性的低温等离子体[10]。外部能量驱动气体分子电离过程具体表现为放电空间的高电离度流注体具有瞬变特点,气体放电过程通常伴随有一定程度的电磁辐射,因此电磁辐射是与气体放电微观电离过程紧密相关的一种能量转化途径[11,12]。因此进一步了解气体放电与电磁辐射的作用关系及电磁辐射特性及辐射规律,并探究电磁辐射抑制方法尤为重要。

目前针对气体放电过程电磁辐射特性方面的研究主要集中在电磁辐射特性诊断、分析及模拟[13-17]。刘浩,等[18]通过模拟高空低气压下飞行器表面电晕放电过程的电磁辐射特性,确定了30 MHz及170 MHz的电磁辐射频谱分布特征,通过探究电压极性、气体压力和测距等条件对辐射特性的影响,发现放电过程中电磁脉冲辐射电场在600 ns时域范围内呈振荡衰减模式,在4～3 kPa气压范围内电磁辐射幅值与气压呈负相关。欧阳吉庭,等[19]在针-环式负电晕放电条件下发现,电磁辐射频谱在小于100 MHz的频率范围内与电压和电流变化无关,而电磁辐射频谱分布及幅值主要由电流脉冲的上升沿决定。Wang,等[20,21]利用偶极辐射模型探究多针负电晕放电电磁辐射特性,通过对比单针电晕放电和多针电晕放电的电磁辐射特性,发现多针负电晕之间存在抑制现象,但电晕放电过程的电磁辐射频谱分布特征与多针结构无关。此外,电气铁路系统中的局部电弧放电同样存在电磁辐射现象,何成功,等[22]对电力机车顶部受电弓与供电牵引网之间的电弧放电电磁辐射特性进行研究并分析其产生机理,确定了交流电弧近阴极效应产生的电子堆振荡对理线电弧微波段辐射存在明显干扰,且辐射频率与气体电离度成正比。Bojovschi,等[23]研究了聚合物、环氧树脂和陶瓷3种电力工业绝缘材料局部放电的电磁辐射特性,发现绝缘材料局部放电过程的电磁辐射取决于光强分布、绝缘介质材料及结构等。目前针对气体放电电磁辐射研究多是基于输电线电缆产生的局部电晕放电,而应用更为广泛的丝状放电过程的电磁辐射特性研究报道较少。

本研究初步对比分析了刷状放电和丝状放电条件下的电磁辐射分布特征,并在此基础上探究了电压、频率及结构特征对不同放电模式电磁辐射特性的影响规律,为气体放电电磁辐射控制提供理论依据。

1 实验系统

实验系统主要由气体放电和电磁辐射在线测量2部分组成,如图1所示。气体放电部分主要包括高压交流外部驱动电源(南京苏曼)和等离子体发生器,其中等离子体发生器主要由介质阻挡放电装置和针-板式电晕放电装置组成,介质阻挡放电装置以不锈钢平板分别作为高压电极和低压电极,以1 mm厚的石英作为阻挡介质,放电间距为5 mm;针-板式电晕放电装置以不锈钢针电极作为高压电极,以铜板作为低压电极,放电间距为5 mm,气体放电过程的电参数通过高压探头(Tek 6015A)和罗氏线圈(Pearson 2075)实时测量。电磁辐射在线测量部分主要利用电磁辐射计(Rohde &Schwarz FSL)实时测量放电过程中的电磁辐射信号,电磁辐射测量波段设置为6～300 MHz,测量位点距离放电区域5 cm。

图1 实验系统

2 结果及讨论

2.1 不同放电模式电磁辐射特性

不同气体放电模式下伴随的微观放电过程存在较大差异,为充分探究不同放电模式过程中的电磁辐射特性,实验对比分析了高压交流电源分别驱动针-板式电晕放电、介质阻挡放电条件下电磁辐射特性,实验结果如图2、3所示。图2为高压交流电源驱动介质阻挡放电和针-板式电晕放电的放电图像,可直观的看出介质阻挡放电区域以丝状放电模式为主,针-板式电晕放电区域则以由针电极向平板电极扩散发展的刷状放电模式为主。图3为2种不同放电模式所对应的电磁辐射分布,通过对比2种放电模式电磁辐射信号发现,在频谱分布方面,丝状放电过程的电磁辐射信号在6～150 MHz范围内,呈特征谱峰分布,而刷状放电电磁辐射频谱范围相对较小,在6～74.2 MHz频谱范围内,呈特征谱峰分布。在电磁辐射频谱范围内,丝状放电电磁辐射特征谱峰较多,最大电磁辐射在频率为61.3 MHz频谱位置,而刷状放电最大电磁辐射在频率为12.5 MHz频谱位置。

图2 不同放电模式图像

2.2 丝状放电电磁辐射影响因素

2.2.1 电压对丝状放电电磁辐射影响

图4为在高压电源频率为9.5 kHz的条件下,外施电压分别为30.62,32,34.2,37.1,41.4 kV时丝状放电电磁辐射特性。实验结果显示,特定频率条件下丝状放电电磁辐射频谱分布不随外加电压的增加而变化,丝状放电电磁辐射在6～147 MHz频谱范围内的特征谱峰未有明显改变。在考察的实验条件下,电磁辐射相对强度约为9～18 dBm,其中在频率为61.3 MHz频谱位置时,电磁辐射强度相对较大,约为18 dBm;随着电压增加,电磁辐射相对强度呈微弱降低,在110～150 MHz频谱范围内的特征频谱强度下降幅度约为3 dBm,而在其他频谱范围内辐射强度变化不明显。由于放电过程电磁辐射与放电模式关系密切,在丝状放电过程中,电压的增加对放电模式并未有显著影响,放电空间始终以高电离度的瞬变流注体为主放电模式,因此丝状放电过程中电压的增加对电磁辐射特性并未有显著影响。

图4 不同电压下丝状放电电磁辐射特性

2.2.2 频率对丝状放电电磁辐射影响

图5为在高压电源外加电压为30 kV条件下,频率分别为8,8.5,9,9.5,10 kHz时丝状放电过程电磁辐射特性。实验结果显示,在外加电压确定的条件下,丝状放电电磁辐射频谱分布及辐射强度均不随外加频率的变化而变化。在所考察的实验条件下,电磁辐射相对强度约为9～20 dBm,其中在频率为61.3 MHz时累积信号相对强度最大,约为20 dBm。与电压对丝状放电电磁辐射特性的影响规律类似,在所考察的频谱范围内,频率的增加并未改变丝状放电模式,因此对放电过程的电磁辐射特性未有显著影响。

图5 不同频率下丝状放电电磁辐射特性

2.3 刷状放电电磁辐射特性影响因素

2.3.1 电压对刷状放电电磁辐射影响

图6为在高压电源放电频率为7.5 kHz的条件下,外施电压由10.2 kV增加至30.4 kV的过程中刷状放电电磁辐射特性变化规律。实验结果显示,在所考察的电压范围内,刷状放电过程电磁辐射累积信号频谱分布不随电压的增加而变化,而电磁辐射累积信号相对强度随电压的增加而增大。电磁辐射累积信号强度约为5～22 dBm,其中在频率为11 MHz频谱位置电磁辐射强度相对较大。随着电压由10.2 kV增加至30.4 kV,刷状放电电磁辐射在频率为11,26,60 MHz频谱位置辐射强度分别增长了15,17,12 dBm。在刷状放电状态下,电压的增加能够有效促使刷状电离区域向平板电极发展,刷状电离区的发展使放电空间电离区域增大、电离度提高,推测可能是由于电离度的增强导致刷状放电电磁辐射强度增大。

图6 不同电压下刷状放电电磁辐射特性

2.3.2 频率对刷状放电电磁辐射影响

图7为在高压电源电压为29.4 kV的条件下,频率分别为7.5,8.5,9.5 kHz时刷状放电电磁辐射特性。实验结果显示,刷状放电电磁辐射累积信号频谱分布不随频率的改变而变化,而刷状放电电磁辐射强度随频率的增大而减小。当频率由7.5 kHz上升至9.5 kHz过程中,刷状放电电磁辐射在频率为11,26,60 MHz频谱位置的辐射强度分别降低了3,1,7 dBm。理论上,在放电电压确定的条件下,频率的增加会使得单位时间内注入放电区域的激励能量增加,在此基础上诱发更为强烈的电离过程,而由放电频率增加而诱发的电离度增加并未引起刷状放电电磁辐射强度的增加,反而由于频率增加对电磁辐射强度存在抑制效果,具体内在影响规律有待进一步研究分析。

图7 不同频率下刷状放电电磁辐射特性

2.4 阵列结构对气体放电电磁辐射影响

图8为在高压电源频率为9.5 kHz、电压为30 kV的条件下,气体放电区域分别为一区、二区、三区及四区时的电磁辐射特性,其中单个放电区域尺寸约为50 mm×4 mm。随着放电区域的增加,丝状放电电磁辐射累积信号频谱范围分布由6～148 MHz扩大至6～300 MHz,其中6～147 MHz范围内的频谱分布特征未有明显改变,而在159～311 MHz频谱范围内程宽谱带分布特征,同时增加频率为172 MHz和289 MHz频谱位置的特征辐射信号,电磁辐射相对强度随着放电区域的增加也有所提升。随着放电区域的增加,会增加气体放电面积进而提高电磁辐射累积信号相对强度;此外,不同放电区域的放电微通道产生的电磁辐射可能存在互相干扰,可能是导致电磁辐射范围增大的一个因素。

图8 不同放电区域丝状放电电磁辐射特性

3 结论

本文对大气压条件下不同放电模式电磁辐射特性及影响因素进行了实验研究,结果表明:

a) 气体放电电磁辐射频谱范围大致为6～150 MHz,其中以6～50 MHz范围内的电磁辐射信号较为强烈且呈随机分布状态。

b) 电磁辐射分布特征主要取决于气体放电模式,丝状放电电磁辐射主要在6～150 MHz范围内呈特征谱峰分布,刷状放电电磁辐射主要在6～72.4 MHz范围内呈特征谱峰分布。

c) 电压、频率对丝状放电电磁辐射分布及辐射强度无显著影响,而刷状放电电磁辐射强度随电压的增加而增大,随频率的增加而减小;丝状放电电磁辐射强度随着放电区域的扩大也有所增加。

d) 所探究的大气压气体放电主要表现为高频及甚高频的电磁辐射,针对该波段的电磁辐射主要控制措施为场源屏蔽、距离防护及合理布局。在能效优化方面,由于丝状放电模式下电磁辐射范围及强度相对较大,因此如何抑制气体放电过程中的丝状放电,是值得进一步探究的方向。