直流大气压电晕放电电子密度的光谱研究

利用自制针—板式放电装置,在大气中进行电晕放电实验。用发光区域照片光斑的大小,讨论了电晕层厚度与电源电压的关系。在相同针板间距下,电晕层厚度随着电压的升高而增大;在相同电压下,电晕层厚度随着针板间距的增大而减小。由于高能电子密度能够通过氮分子第二正带系337.1 nm的光谱强度大小反映,因此对氮分子第二正带系337.1 nm谱线的强度用发射光谱法进行了测量。实验结果发现在针尖附近高能电子密度最大,并且高能电子密度随电压的升高而增大;电压一定时,高能电子密度随针板间距的增大而减小。在针板间距和电源电压不变的情况下,高能电子密度随针尖曲率半径的减小而增大。     

雷云电场作用下长地线表面正极性辉光电晕放电的仿真研究

在雷云电场的缓慢作用下, 一种无流注的正极性辉光电晕在接地物体表面起始, 向周围空间注入大量正极性空间电荷, 从而改变雷电先导对雷击目的物的选择. 本文对雷云电场作用下起始于长地线表面的正极性辉光电晕放电进行了仿真研究; 考虑了正极性离子与其他离子的附着与碰撞作用, 建立了一种精确的二维正极性辉光电晕模型; 并通过在实验室内开展高压电晕放电试验, 测量了不同背景电场下的电晕电流; 与本文所建模型的仿真结果进行对比, 对模型的正确性进行了验证. 基于上述模型, 对正极性辉光电晕在雷云感应作用下的起始发展过程与电晕特性进行了仿真模拟, 得到了该电晕的电晕电流、正离子密度分布规律以及正离子迁移规律. 发现在雷云电场作用下, 电晕放电产生的正离子在迁移初期于垂直于地线的平面内基本呈圆对称状均匀分布, 但随着离子逐渐远离地线其分布不再均匀, 呈拉长的椭圆形分布, 多数离子最终分布于地线上方区域并逐渐向雷云方向迁移; 由于正离子在地线上方迁移区聚集形成的正空间电荷背景对行进电子束具有衰减和消耗作用, 抑制了电子崩的形成, 并降低了电子崩转化为流注的概率, 阻止了新的电子崩对流注的不断注入, 同时正空间电荷背景使气体的碰撞面增大, 增加了与电子的复合概率, 引起大量电子的消耗, 最终抑制了电子崩的形成与流注的发展, 地线表面的上行先导得到抑制.     

多针电晕增强大气压辉光放电稳定性研究

利用多针电晕增强放电装置，在无气流和存在高速气流的情况下都得到了稳定的大气压辉光.通过纪录发光图片、电流-电压波形和伏安特性曲线的方法对影响放电稳定性的因素做了细致地研究，发现了在从电晕放电到辉光放电的过程中存在着过渡阶段，表现为出现带有直流成分的Trichel脉冲.气流速度、极板间距以及针尖锥度和凹坑曲率半径的匹配程度都对放电的稳定性和电流密度有着重要的影响. 关键词： 大气压辉光放电 多针电晕 等离子体     

棒-板电极直流负电晕放电特里切尔脉冲的微观过程分析

本文基于流体动力学理论改进出一种新的棒-板电极负电晕放电混合数值模型, 模型中加入了27种主要碰撞反应, 并考虑了光电离和二次电子发射过程. 对棒-板间距3.3 mm, 施加电压-5.0 kV情况下进行数值计算, 得到负电晕放电的特里切尔脉冲. 重点分析了单个特里切尔脉冲持续过程中5个关键时刻的微观特征量发展规律, 丰富并量化描述了特里切尔脉冲的微观过程, 主要结论如下: 随着放电时间的发展, 电场集中分布区域向阳极移动且幅值变小, 这对电子崩的发展非常不利. 大部分放电区域都是电中性的, 只有在阴极鞘和阳极鞘附近有带正电的等离子体特性, 带负电的离子云随着放电时间的发展缓慢向阳极发散式移动. 整个特里切尔脉冲持续过程中, 阴极鞘内电子密度几乎为0; 特里切尔脉冲前期, 阴极鞘附近电子密度迅速增加至最大值并保持基本不变; 随着放电时间的增加, 放电间隙内电子密度整体增加, 并且向阳极发展. 在特里切尔脉冲后期, 电子的产生主要来自于N₂和O₂的碰撞电离, 电子的消失则主要由N₂⁺的复合决定, O₄⁺和O₂^-分别是数量最多的正离子和负离子. 关键词： 负电晕 混合模型 特里切尔脉冲 微观特征量     

直流大气压辉光放电高能电子密度的空间分布

利用针阴极和水阳极,在6 mm的空气隙产生了大气压空气辉光放电。该大气压辉光放电具有明显的负辉区、正柱区和阳极辉区等明亮的发光区。通过研究放电的电压电流特性,发现该放电处于亚辉光放电到正常辉光放电阶段。由于氮分子第二正带系337.1 nm的光谱强度反映高能电子密度,对337.1 nm谱线的强度进行了空间分辨测量。结果发现高能电子在针尖附近密度最大,而其他区域相差不多。随电压升高,高能电子密度减少。增大限流电阻,高能电子密度也减少。氧原子对杀菌消毒具有重要作用,利用发射光谱法对氧原子谱线强度的空间分布进行了测量,发现氧原子谱线强度与高能电子的空间分布及其随参数的变化关系一致。     

大气压氦气预电离直流辉光放电二维仿真研究

基于二维流体模型,研究了大气压下预电离对短间隙和长间隙直流辉光放电的影响.对于两种放电,随着预电离的增强,带电粒子分布沿着放电方向逐渐向阴极偏移,使得阴极位降区不断收缩.从垂直放电方向来看,正柱区、负辉区和阴极位降区的宽度都不断增大,电子、离子密度的分布更加均匀.对于电场而言,随着预电离的增强,阴极位降区电场的纵向分量分布逐渐向阴极收缩,阴极附近的电场整体降低且分布更加均匀.电场的纵向分量分布逐渐减小,同时电场区域逐渐向壁面收缩.维持电压和放电功率都明显地降低.此外,随预电离的增加,短间隙放电中的压降始终集中在阴极位降区,而在长间隙放电中的压降由阴极位降区逐渐转移至正柱区.仿真结果表明,预电离能够有效增强放电均匀性,并降低放电维持电压和能量消耗.该工作对进一步优化电极配置和等离子体源的运行参数具有重要指导意义.     

空气电晕放电发展过程的特征发射光谱分析与放电识别

局部空气放电是导致高压输变电设备绝缘劣化的重要因素。空气放电中丰富的发射光谱信息与放电特征存在直接映射关系。采用针-板电极模拟了空气电晕放电的发展过程,并检测了放电由弱变强过程中的“紫外-可见光-近红外”波段在200～980 nm范围内的发射光谱。放电初期的发射光谱主要由氮气分子N₂的带状光谱组成,分别为N₂第二正带系(second positive system, SPS)和N₂第一正带系(first positive system, FPS)。放电程度加深后,发生能级跃迁的粒子种类更加丰富,由此产生了带状光谱与线状光谱相互交叠的复杂谱线,光谱范围也由放电初期的280～460 nm扩展至200～980 nm。放电处于临界击穿时,发射光谱的强度急剧增加,强度最高值出现在500.715和777.202 nm处,分别对应氮离子N⁺和氧原子O的辐射谱线,这意味着微观放电过程再次发生改变。基于空气放电机理分析得到：放电初期、放电加深、放电临界击穿三个阶段中强度占优的谱峰或谱带分别由N₂...     

正极性纳秒脉冲电压下变压器油中流注放电仿真研究

建立了二维轴对称流体模型, 仿真研究了正极性纳秒脉冲电压下变压器油中针-板电极流注放电的起始与发展过程, 得到了不同的外施电压幅值、脉冲上升沿时间与电极间隙距离下油中流注放电的形貌、 电场强度与空间电荷密度分布等. 仿真结果表明: 空间电荷加强了流注头部前方电场, 使流注通道更易于向前推进, 形成"电离波"; 随着外施电压幅值升高, 流注发展的平均速度显著变大; 较陡的脉冲上升沿形成的放电半径较大, 对应的最大电场强度值变小; 随着电极间隙距离的增加, 流注发展平均速度变快. 仿真显示纳秒脉冲下放电中油温无明显升高, 表明此类放电过程没有明显的油气化现象. 我们认为, 场致电离是油中带电粒子产生的主导机制; 空间电荷效应增强流注前方电场使得电离进一步发展, 最终导致击穿. 本研究有助于加深对变压器油中放电起始、发展直至击穿过程的认识以及对液体电介质中电离机制的理解. 关键词： 变压器油 流体模型 流注放电 空间电荷效应     

120 kV下常压空气纳秒脉冲电晕放电特性

使用上升沿15 ns、脉宽30~40 ns的重复频率纳秒脉冲电源对120 kV下大气压空气中管-板电极结构电晕放电进行了实验研究,通过电压电流测量、放电图像拍摄和X射线探测分析了纳秒脉冲电晕放电特性。结果表明:纳秒脉冲电晕放电中存在X射线辐射,但辐射强度较弱,X射线辐射计数随着气隙距离的增大而减少,随着脉冲重复频率的增大而增多;放电空间的残余电荷加强了下一个脉冲到来时的局部电场,从而导致高重复频率下易于出现分散的电晕通道。     

120 kV下常压空气纳秒脉冲电晕放电特性

使用上升沿15 ns、脉宽30~40 ns的重复频率纳秒脉冲电源对120 kV下大气压空气中管-板电极结构电晕放电进行了实验研究,通过电压电流测量、放电图像拍摄和X射线探测分析了纳秒脉冲电晕放电特性。结果表明：纳秒脉冲电晕放电中存在X射线辐射,但辐射强度较弱,X射线辐射计数随着气隙距离的增大而减少,随着脉冲重复频率的增大而增多;放电空间的残余电荷加强了下一个脉冲到来时的局部电场,从而导致高重复频率下易于出现分散的电晕通道。     

Numerical simulation and experimental validation of direct current air corona discharge under atmospheric pressure

Air corona discharge is one of the critical problems associated with high-voltage equipment. Investigating the corona mechanism plays a key role in enhancing the electrical insulation performance. An improved self-consistent multi-component two-dimensional plasma hybrid model is presented for the simulation of a direct current atmospheric pressure corona discharge in air. The model is based on plasma hydrodynamic and chemical models, and includes 12 species and 26 reactions. In addition, the photoionization effect is introduced into the model. The simulation on a bar-plate electrode configuration with an inter-electrode gap of 5.0 mm is carried out. The discharge voltage– current characteristics and the current density distribution predicted by the hybrid model agree with the experimental measurements. In addition, the dynamics of volume charged species generation, discharge current waveform, current density distribution at an electrode, charge density, electron temperature, and electric field variations are investigated in detail based on the model. The results indicate that the model can contribute valuable insights into the physics of an air plasma discharge.     

Numerical simulation and experimental validation of a direct current air corona discharge under atmospheric pressure

Air corona discharge is one of the critical problems associated with high-voltage equipment. Investigating the corona mechanism plays a key role in enhancing the electrical insulation performance. An improved self-consistent multi-component two-dimensional plasma hybrid model is presented for the simulation of a direct current atmospheric pressure corona discharge in air. The model is based on plasma hydrodynamic and chemical models, and includes 12 species and 26 reactions. In addition, the photoionization effect is introduced into the model. The simulation on a bar-plate electrode configuration with an inter-electrode gap of 5.0 mm is carried out. The discharge voltage-current characteristics and the current density distribution predicted by the hybrid model agree with the experimental measurements. In addition, the dynamics of volume charged species generation, discharge current waveform, current density distribution at an electrode, charge density, electron temperature, and electric field variations are investigated in detail based on the model. The results indicate that the model can contribute valuable insights into the physics of an air plasma discharge.     

微波阶梯阻抗变换器低气压电晕放电粒子模拟

采用3维粒子软件VORPAL对微波阶梯阻抗变换器中的低气压电晕放电过程进行了粒子模拟,获得了放电过程中带电粒子实空间分布的时间演变图像,分析并解释了其中低气压电晕放电机理和微放机理之间的关系.模拟结果表明:低气压电晕放电的阈值电压随着气压的增长呈现先减小后增加的变化趋势;并且随着气压的增长,微放电作用减弱,低气压电晕放电作用增强.通过对银和铜两种器壁材料放电阈值的比较,获得了两种放电机理之间的临界气压.     

Laboratory ignition of hydrogen and carbon disulphide in the atmospheric air by positive corona discharge

Experimental attempts of ignition of sensitive explosive atmospheres by continuous positive corona discharges in coaxial electrode system were conducted in laboratory conditions. Sixty five explosions of hydrogen (H₂) and forty of carbon disulphide (CS₂) were forced. Both atmospheres were ignited by the minimum power 1–2 W, the minimum ignition current 100–130 μA at the ignition voltages 12–30 kV (for CS₂) and 16.5–25 kV (H₂). To prevent the energetic sparks, the high voltage resistor 1 MΩ was introduced in series with corona wire.     

Numerical simulation of a direct current glow discharge in atmospheric pressure helium

Characteristics of a direct current(DC) discharge in atmospheric pressure helium are numerically investigated based on a one-dimensional fluid model. The results indicate that the discharge does not reach its steady state till it takes a period of time. Moreover, the required time increases and the current density of the steady state decreases with increasing the gap width. Through analyzing the spatial distributions of the electron density, the ion density and the electric field at different discharge moments, it is found that the DC discharge starts with a Townsend regime, then transits to a glow regime. In addition, the discharge operates in a normal glow mode or an abnormal glow one under different parameters, such as the gap width, the ballast resistors, and the secondary electron emission coefficients, judged by its voltage–current characteristics.     

聚乙烯空间电荷包行为的形成机理与仿真方法研究

聚乙烯中的空间电荷包行为是空间电荷的一种特殊的输运行为.研究表明,空间电荷包行为由于受材料本身特性、外加电场大小以及环境温度等的影响,导致其产生过程及传输特性上存在较大差异,这些因素给空间电荷包行为产生机理研究带来了较大困难.通过对电荷的电极注入过程、载流子的体内迁移规律及空间电荷与体内陷阱的相互作用机制进行分析,探讨了不同外加电场及不同深度陷阱能级对电荷包行为造成的相关影响,在此基础上建立物理模型来描述电荷包的产生和迁移过程.模型中提出了在高于阈值电场时,载流子迁移速度与电场关系存在负微分迁移率的假设.基于此模型对空间包行为的模拟结果与实验结果取得较好的一致. 关键词： 空间电荷包 数值模拟 负微分迁移率