次大气压介质阻挡放电处理环氧树脂对表面电荷消散的影响及老化特性

环氧树脂(ER)被广泛用作气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中的绝缘间隔,存在局部区域积聚大量表面电荷,且难以消散的问题,容易引发沿面闪络,造成绝缘损伤。本文通过表面电位测量系统研究了次大气压DBD对环氧树脂表面电荷消散以及电位分布的影响,利用高阻计监测电阻率变化,同时利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)与X射线光电子能谱仪(XPS)表征表面化学成分。实验结果表明:不同处理时间(0.5~10min)下的DBD均可大幅加快环氧树脂表面电荷消散,0~300s的消散率均达80%以上,未处理则均小于3.9%,而处理时间对消散率的影响较小。老化现象在1天内较为明显,处理3min的样品在0~300s内的电荷消散率约25%。1~10天以较缓的速率老化,老化10天后的消散率仍是未处理的2倍以上。样品刚处理完时的体积电阻率下降1~2个数量级,而表面电阻率下降接近3个数量级,电阻率随着老化天数逐渐升高,其变化趋势与电荷消散率相反。处理后的表层C/O值降低,C-O、C=O等极性基团含量升高。分析认为表面电荷主要沿面消散且等离子体影响化学成分的深度较浅。

大气压栅状介质阻挡放电等离子体空气消毒研究

空气净化与消毒是控制呼吸道传染性疾病的有效途径。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)用于空气消毒具有高效、大面积放电、低风阻等优势,但目前对其空气消毒特性、消毒因子和消毒剂量的研究不足。文中介绍了清华大学电机系气体放电与等离子体研究团队近期关于栅状DBD等离子体空气消毒的研究进展。杀菌特性方面,重点研究了放电结构参量、湿度、微生物种类、电压类型等因素的影响,发现缩小间隙、增大电极尺寸、增加气流湿度均可提高杀菌效率和能量效率(Z值),相对湿度为60%时装置Z值可达1.68L/J;对MS2噬菌体气溶胶的单次通过净化效率可达99.5%~99.9%。杀菌因子方面,实验发现短寿命气相粒子是细菌气溶胶灭活的主要因子,长寿命粒子作用至多占总杀菌作用的30%。杀菌剂量方面,提出以比能量密度作为等离子体空气消毒的剂量参数,并基于湿空气放电的化学反应动力学模型,发现单粒子剂量与功率密度的线性关系,揭示了比能量密度作为剂量的机制。该研究可为介质阻挡放电空气消毒提供理论和工程应用支撑。

大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电特性分析

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)是产生低温等离子体的重要方法,纳秒脉冲条件下DBD与普通交流下的放电不同。通过单极性纳秒脉冲激发大气压空气中DBD,计算纳秒脉冲DBD的电气参数,与交流或微秒脉冲放电的电气参数相比较,并对比放电图像与电流波形的关系,探讨了放电机制。研究结果表明,纳秒脉冲DBD的放电电流呈双极性,气隙上发生2次放电过程,其电气参数高于常规交流和微秒脉冲DBD的电气参数。随着空气间隙距离的增加,均匀放电向丝状放电的转化与电流脉冲波动相关。由于微放电持续时间与施加脉冲处于同一个数量级,且基本同时发生在气隙中,很难在同一位置上存在数个连续的微放电,这对放电的均匀性有利。

大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电均匀性的研究

为了实现大气压空气中纳秒脉冲均匀介质阻挡放电(DBD),利用上升沿15ns,半高宽30～40ns的正极性纳秒脉冲激发DBD,并由电压电流和放电图像研究DBD的特性,分析均匀放电实现的条件和特征。实验结果表明放电电流呈双极性,且电气参数要比交流及微秒脉冲DBD的高,在一定条件下可获得均匀模式放电。通过重复频率和气隙距离对放电均匀性的影响研究发现,2mm空气间隙中,双层介质阻挡时重复频率对放电均匀性影响不明显,但当间隙距离从2～8mm延长时,放电明显由均匀模式向丝状模式过渡。此外,对纳秒脉冲DBD放电均匀性与施加脉冲上升沿的关系进行了探讨。

大气压不同惰性气体介质阻挡放电特性的比较

为了加深对大气压惰性气体介质阻挡放电的认识,使用电特性测量、高速摄影,发射光谱等手段研究了平板结构大气压惰性气体介质阻挡放电的放电模式、演化过程以及放电机理,并对不同气体的放电特性进行了比较。实验结果表明在2～8mm大气压氦气、氖气中可很容易的实现稳定的均匀放电,并且其放电模式为辉光放电。对2mm气隙的高频大气压氩气介质阻挡放电研究的结果表明,氩气中不易实现覆盖整个电极的均匀放电,而随外加电压的增加,更容易出现自组织的斑图;当气隙距离>3mm时氩气放电为细丝状的流注放电,并且其放电通道中的电流密度可达7.5A/cm2。ICCD高速相机拍摄的时间分辨放电图像显示,大气压氦气、氖气以及氩气的均匀放电为汤森放电向辉光放电的演化过程。光谱诊断结果表明,惰性气体的高能亚稳态粒子与杂质分子的彭宁电离对放电的均匀性起着非常关键的作用。氦气放电等离子体中观察到了氮离子的第一负带系N2+(B2Σu+→X2Σg+);而在氖气和氩气中没有发现这个带系,观察到的是氮分子的第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线,这说明氖原子和氩原子的亚稳态能级太低不足以激发氮离子的第一负带系。

大气压短间隙Ar介质阻挡辉光放电的模拟分析

为了分析短间隙Ar介质阻挡放电(DBD)大气压辉光放电(APGD)的放电机理,建立了一维自洽流体模型,采用有限元法进行计算。得到了气体间隙压降、放电电流密度以及介质表面电荷的演化波形,及放电电流密度峰值时粒子和电场的分布。结果表明,该APGD为容性放电,每半个周期内发生一次击穿放电;表面电荷有着抑制当前放电,降低下一次放电起始电压的作用;依据场强与粒子分布可将放电空间分为阴极位降区、负辉区、正柱区及阳极辉光区,说明该放电为典型的辉光放电。在此基础上分析了材料介电常数ε对放电的影响,表明随着ε的增大,放电电流与表面电荷的幅值也相应增大,击穿时间略有提前。

大气压介质阻挡放电三种模式的电学特征

为了解大气压介质阻挡放电3种放电模式（丝状放电、辉光放电、伪辉光放电）的电学特征，利用10～50kHz、0～20kV电源在平板电极结构上实现3种放电模式，并通过放电图片、电压电流曲线、电压一电荷李萨如图形对各放电模式进行诊断和电学特征阐述。试验证实3种放电模式确实存在且可在一定条件下相互转化。

大气压介质阻挡放电特性研究

采用水作为电极 ,对大气压下空气介质阻挡放电的斑图结构 (patternformation)进行了观测 .研究了斑图结构与实验条件的关系 .实验结果表明斑图结构中的丝密度随气体隙宽度的增加而减小 .

大气压氖气介质阻挡放电研究

为了加深对大气压氖气介质阻挡放电特性的认识,使用电特性测量、高速摄影的手段研究了平板结构大气压氖气介质阻挡放电的击穿电压、放电模式及其演化过程等。实验结果表明,在2～8mm大气压氖气中可很容易地实现均匀放电,并且其放电模式为辉光放电。相比同样条件下的氦气放电,氖气放电的电流密度略小、电流脉冲的半高宽较大。同时测量并比较了气隙的首次击穿与稳态击穿的差异,发现气隙的首次击穿电压较大、击穿时刻偏迟,并基于种子电子的作用对此做出了解释。利用ICCD高速相机拍摄了时间分辨的放电图像,侧面放电图像显示了汤森放电向辉光放电的演化过程,这与氦气放电非常相似,主要的差异在于氖气辉光放电中未观察到明显的等离子体正柱区;底面拍摄的放电图像显示了与氦气放电十分类似的径向发展过程。

大气压空气介质阻挡汤森放电

为了实验研究大气压空气介质阻挡均匀放电的可能性,使用1.5mm以上厚度的Al2O3陶瓷片作为阻挡介质及1～2kHz的高压激励,在大气压3mm空气平板间隙中获得均匀放电。通过ICCD高速摄影得到的放电图像以及电流波形的分析表明这种放电是汤森放电。3mm空气间隙的稳态击穿电压仅约为5.7kV,远低于静态击穿电压11.2kV;还发现了类似氮气DBD汤森放电的"反常熄灭"现象,这两个现象表明陶瓷表面可能存在浅位阱及二次电子发射机制,这对空气汤森放电的起始和维持阶段都至关重要。另外,实验发现陶瓷厚度对空气DBD有重要影响,使用厚度<1.5mm的陶瓷片往往无法避免丝状放电。使用2片厚度各1mm的石英玻璃替代陶瓷片在670Pa～0.1MPa都无法获得均匀放电。上述3mm空气汤森放电的原因归结于陶瓷表面独特的"浅位阱"特性以及阻挡介质限流作用的共同效果。

大气压介质阻挡辉光放电等效电容及对放电参数的影响

等效电容是研究大气压介质阻挡放电的基本参数。按定义式计算电容值由于没有考虑杂散电容以及外加电压参数的影响,用于计算介质阻挡放电参数不够准确。丝状放电规则的平行四边形Lissajous图,在一定假设条件下可计算介质阻挡放电的等效电容,但大气压辉光放电是不规则平行四边形。此外,计算放电参数必须用同一电压下的回路电流和等效电容,但是测量回路电流就无法同时测量Lissajous图形。为此,基于大气压氦气介质阻挡辉光放电试验测量的外加电压和回路电流,提出了该外加电压下Lissajous图形的计算方法。基于该图形,提出了大气压辉光放电时等效电容计算方法:简化法和分段法。根据计算结果,研究了等效电容对计算放电参数的影响。研究结果表明,计算法得到的Lissajous图形反映了放电过程;简化法比定义计算法得到的等效电容用于计算放电参数更接近真实放电过程,而分段法可用于探讨放电过程中瞬态等效电容的变化;等效电容对计算放电电压和电流影响很大。

大气压N_2-O_2混合气纳秒脉冲表面介质阻挡放电建模仿真

大气压N2-O2混合气ns脉冲表面介质阻挡放电(SDBD)机理是等离子体气动激励与流动耦合作用机制研究的重要内容。为此,耦合等离子体化学反应动力学方程和考虑能量的等离子体漂移-扩散方程组,建立了大气压下N2-O2混合气ns脉冲放电的2维模型。考虑15种粒子、对应的电子碰撞反应以及35个化学反应过程,得到了SDBD的伏安特性、电荷分布和能量分布。综合分析电荷及电子能量分布结果表明,高能电子撞击是产生离子的主要方式,而低能电子的累积和离子在电场驱动下的定向运动是使放电呈现非平衡的重要原因。将计算结果与实验获得的伏安特性数据、放电形态和光谱分析结果进行了比照分析,发现2者比较相符,验证了模型的可靠性。

大气压空气中同轴介质阻挡放电微放电特性

为了更好的利用和研究介质阻挡放电技术,探讨了研究较少的同轴介质阻挡等离子体反应器的放电特性。因该类反应器2个介质阻挡层结构不一致,导致微放电行为在高频高压电源的正弦波电压的正、负半周内特点不同。研究从其放电的等效电路模型,流注放电击穿机理,以及在大气压空气中的放电实验等方面进行。结果表明,大气压下放电间隙8mm反应器时,放电电流波形在外加电源电压的正负半周期内不对称;分别呈现出明显的“似辉光放电”和“丝状放电”特点,单个微放电电流脉冲宽度约50ns,与外加电源电压极性和频率无关。

大气压短间隙介质阻挡放电等效负载模型

大气压介质阻挡放电反应器的精确等效是影响电源参数准确设计的关键。现有的反应器等效模型通常未考虑介质等效电容在放电过程中的非线性变化,使得在大气压短间隙工况下模型精度受限。为解决这一问题,本文在传统非线性钳位模型的基础上根据放电的不同阶段将介质等效电容进行分段等效,并给出一种分段等效负载模型及其测量方法。同时,推导出带分段负载模型的电压源谐振变换器关键参数,并搭建了一台1kW谐振电压源样机。实验证明,当气隙长度大于4mm时,分段负载模型与传统的非线性钳位模型相近;在气隙长度更小时,分段模型准确度更高,有利于准确地描述负载放电功率与单周期放电时间等重要参数。

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0～35kV、重复频率1kHz的高压μs脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电(DBD)等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明:μs脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;μs脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。

大气压氦气介质阻挡辉光放电的数值仿真计算

通过精心选择一维模拟计算所需要的各个参数,使用有限差分法数值求解了大气压氦气介质阻挡辉光放电数学模型中的离子连续方程、电子连续方程、泊松方程以及相关的辅助方程,得到了与实验吻合度很好的仿真波形。在此基础上计算了电场、离子密度、电子密度等放电空间内部参量随时空的演化图,这些参量对定量分析大气压氦气辉光的放电机理有重要作用。从理论上对所得到的计算结果做出了解释,并使用仿真结果很好地解释了实验所拍摄到的放电图像。

短间隙大气压氦气介质阻挡放电中非线性现象的1维流体仿真

大气压介质阻挡放电(DBD)因其广泛的应用前景而备受关注,其中,如何获取均匀稳定的放电是相关研究中的关键问题。短间隙平板电极的氦气DBD易于产生稳定的弥散放电,但前期的实验研究发现,其在一定的条件下可呈现出不对称、多倍周期和混沌等时域非线性现象。鉴于此,借助氦气DBD的1维流体模型仿真,研究了其在外施电压幅值变化时所诱导的放电非线性现象的演化过程及特征。相比之前报道的同类模型,该模型考虑了更复杂的等离子体化学过程,计算的电流波形与实验测量波形具有较好的一致性。仿真结果显示:随着电压幅值升高,放电依次经历了1倍对称周期、1倍不对称周期、2倍周期、混沌、3倍周期,并最终稳定在1倍对称周期的演化过程。进一步分析表明,在各种非线性现象中,半周期内的单次放电包含了从类汤森放电到辉光放电的转变过程,因此电流波形都表现为陡峭的尖峰形状;从放电熄灭至下一次放电之前,残留的正柱区将完全消散。有别于以前报道的较长间隙氦气DBD中放电非线性现象与残留正柱区的密切关联,短间隙放电中非线性现象的出现和演化可能是一种更为精细的电子-离子参数失调的结果。

大气压针–板介质阻挡放电丝的时空演化

为了分析在小间隙下介质阻挡放电丝的生成机理,以体放电和沿面放电为研究对象,探讨了其在流光放电机制下的形成过程。采用针–板介质阻挡放电装置,在大气压氩气中形成了稳定的放电。利用电学和光学方法,研究发现,随外加电压的增加放电由单丝发展为多丝,在此过程中,发光脉冲的强度增加,且半周期的发光脉冲个数也增加。对于正半周期放电的起始电压,发现其随氩气体积流量的增加而增加,随外加电压峰值的增加而减小。在纳秒曝光时间尺度下,利用高速相机对单丝放电在一个外加电压周期的时间演化过程进行了研究。发现该介质阻挡放电由气隙中的体放电和电介质板上的沿面放电两部分组成。不论电压正半周期还是电压负半周期,体放电均源于正流光机制,而沿面放电的机制与电极的极性有关。瞬时阴极上的沿面放电对应正流光传播过程,而瞬时阳极对应负流光机制。

介质阻挡放电和大气压辉光放电的分析和仿真

鉴于介质阻挡放电(DBD)和大气压下的辉光放电(APGD)都是非线性变化的负载,会给放电电源的设计带来很大麻烦,分别对这两种最有工业应用前景的低温等离子体技术进行了理论分析和仿真,讨论了表征放电特性的图形,指出了随着输入电压频率f的变化,DBD微放电脉冲的幅值将增大,而气隙上的电压Ug、介质上的电压Ud和外加电压U的关系保持不变。仿真和测量结果验证了理论分析的正确性。

大气压介质阻挡放电中电子碰撞电离系数α的测定

电子碰撞电离系数α是气体放电研究中的一个重要物理参数,但现有的α系数数值都是在低气压Townsend放电实验中得到的,它们不适用于大气压下气体放电。为了尝试解决这个问题,提出了一种大气压下α系数的光学测量方法,它借助介质阻挡电极结构,在某些大气压气体中产生瞬态或稳态Townsend放电,利用带像增强器高速数码相机的纳秒曝光功能,记录气隙中瞬态发光强度空间分布,并与Townsend放电对应的理论发光强度分布进行比较,根据两者的最佳拟合效果推导出α系数。该方法被用于测定大气压氮气α系数,结果表明其基本可行,但仍需继续加以完善。