火花放电喷射等离子体触发气体开关导通特性及工作模式分析

为理解喷射等离子体触发气体开关的导通过程和触发机理,利用高速分幅相机拍摄火花放电喷射等离子体触发气体开关的导通过程,结合开关导通时延测量,研究了该开关在10%~90%工作系数下的触发导通特性,分析了开关在高、低工作系数下的导通过程和工作模式。结果表明,火花放电喷射等离子体触发气体开关在10%~90%的极宽工作系数范围内能可靠触发导通,导通时延随工作系数提高而逐步从数十μs减小至数百ns。低工作系数时气体开关为慢导通模式,导通过程可分为喷射等离子体形成阶段、喷射等离子体快速发展阶段、喷射等离子体发展饱和阶段和主间隙放电4个阶段,其导通延时受工作系数和触发脉冲幅值的影响,为数μs至数十μs。随着开关工作系数提高,开关由慢导通模式逐步过渡到快导通模式,导通过程只包括喷射等离子体形成阶段和主间隙放电两个阶段,放电发展过程较为迅速,导通时延约为数百ns。

火花放电等离子体的特征光谱和温度特性实验

以皮秒时间分辨条纹相机和光谱仪为核心,以高压脉冲电源所产生的火花等离子体为研究对象,搭建了一套瞬态光谱与扫描高温计系统。实验中,考虑了针尖间隙和两极电压这两个影响因素,通过采集针尖高压击穿空气所产生火花的瞬态光谱,在对数据进行处理和标定后,结合普朗克的黑体辐射理论,实现对放电等离子体瞬态光谱与温度的诊断。研究结果表明,在针尖间隙相同的情况下,随着电压的增大,放电等离子体的发射光谱随之增强,并在一定电压范围内达到饱和。放电所产生的瞬态温度整体呈现上升趋势,并且通常在1.02~1.16μs之间达到峰值,在针尖电压为10 kV时温度最高可达16617 K。而在相同电压的情况下,随着间隙的增大,放电等离子体的发射光谱呈现先增强后减弱的情况,同时,放电温度在整体趋势上逐渐降低。

火花放电等离子体射流实验研究

提出一种火花放电等离子体射流发生器,可获得能量较高的零质量射流。其工作频率可达9k Hz,可在大气压下产生持续的平均速度较高的射流。详细阐述了该射流发生器结构;通过对其放电形态的研究,探讨了产生射流的机理;利用皮托管测量了射流平均速度,研究了发生器电极间距及外加电参数对射流平均速度的影响,测量了射流平均速度轴向分布;得到了该等离子体射流发生器的射流特性曲线。实验结果表明,该发生器产生的持续射流平均速度可达40m/s以上;增大加载电压还可提高射流速度;对给定的射流发生器,存在最佳电极间距和电压频率。

静止空气中重频脉冲火花放电等离子体的气动激励特性

不同的状况下的重频脉冲(PRF)火花放电等离子体气动激励特性并不相同。为此,采用重频脉冲电源和激励器在静止空气中产生火花放电等离子体气动激励,研究了其激励特性。实验结果表明:由于重复脉冲火花放电存在快速加热,因此会瞬间产生很大的温度升和气压升,进而诱导产生冲击波;冲击波在流场中以声速传播,随后强度逐渐减弱,一定时间后衰减为弱扰动。保持脉冲重复频率不变,当激励电压绝对值增大时,注入流场的单脉冲能量和冲击波波速都随之增大。而保持激励电压不变,增大脉冲重复频率时,注入流场的单脉冲能量和冲击波波速基本不变,同时由于放电周期变短,因此上一个放电周期产生的弱扰动在下一次放电时仍然存在。

特高压混合直流工程快速旁路保护用兆伏级SF_6间隙等离子体喷射触发特性及工程设计

在江苏白鹤滩±800 kV特高压混合直流工程中,受端交流侧三相接地故障穿越失败时,会在±400 kV柔直母线上产生高幅值过电压,严重威胁柔直阀组安全,而基于等离子体喷射的超快速旁路开关1 ms内将柔直母线快速接地保护柔直阀组是一种全新的解决方案。DC 400 kV触发间隙需满足高耐压(>1.2 MV)、低工作系数(<5%)、短延时(<1 ms)、大通流等严苛要求,而如何实现高气压、长间隙的可靠触发导通,并提出工程化设计方案是关键难题。为此搭建了增强型等离子体喷射触发间隙导通研究平台,重点研究触发电压、气压、间隙长度以及工作系数等关键影响因素对SF_(6)触发间隙导通特性的影响规律。结果表明,提升触发电压可显著提升触发导通概率、降低触发延时,但存在一定的饱和现象;在固定的工作电压下,随气压或间隙长度的增加,工作系数显著减小,导致触发延时骤增且导通概率急剧减小;在相同工作系数下,高气压短间隙的触发导通性能更强。据此提出满足特高压混合直流工程400 kV柔直母线快速接地用DC 400 kV间隙开关,间隙采用复合外套单间隙结构,轮转型触发腔设计实现多次触发。研制了触发间隙试验样机(间隙距离为10 cm、压强为0.5 MPa的SF_(6)),其雷电耐压>1250kV,临界可触发电压<50 kV,导通时延<0.5 ms。该研究结果为特高压混合直流输电系统中柔直阀组快速保护用兆伏级SF_6触发间隙工程应用提供了理论支持和工程初步设计方案。

火花放电电极结构及其等离子体反应器

在阐述火花放电机制与等离子体特性基础上,着重探讨了火花放电的电极结构与等离子体反应器。新研制的电极旋转的新型kHz交流火花放电反应器,在甲烷裂解制乙炔和甲烷与二氧化碳重整制合成气应用研究中,其放电稳定性、反应物转化率、产物浓度和能量效率等指标,均明显优于其它放电反应器。

基于毛细管放电的大气压等离子体射流喷射装置放电特性

为满足更长间隙距离、更高电压等级气体开关在较低工作系数下的可靠触发,设计了一种基于毛细管放电的大气压等离子体射流喷射装置,即两间隙毛细管等离子体喷射装置(two gap capillary,TGC)。通过引入中间电极将毛细管通道分为触发通道和主通道,借助触发通道在放电初始时的弱毛细管放电引燃主通道的放电,实现了重复放电。等离子体射流在触发后的169μs时达到了11 cm左右。主通道电弧电阻呈现"U型"分布,电阻值开始时随主通道电弧电流的增长快速减小,最低时不到200 m?,而后随着电流的跌落快速增加。同时,主通道电弧电阻值在电流增长时要高于电流跌落时,这一差异在流过主通道电弧电流较小时十分明显,而后随着电流幅值的增加逐渐减小。由于没有传统放电结构金属丝电爆的过程,电容器所储能量主要释放于喷射装置主通道,主通道电弧能量沉积效率几乎是传统放电结构的2倍,达到了62.7%。喷射装置寿命大概在300次左右,使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄触发通道表面,发现喷射装置TGC中间电极的烧蚀和触发通道的碳化是影响TGC寿命的关键因素,对TGC的寿命优化设计还需做进一步的努力。

基于FLUENT软件直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征二维数值模拟

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石膜的过程中氩气主要起维持电弧放电作用,在一定程度上保证电弧放电的稳定性。本文利用自定义标量和自定义函数技术对FLUENT软件进行二次开发,在动量和能量守恒方程中添加相应电磁源项。对纯氩直流电弧等离子放电特征进行二维数值模拟,并经过实验验证后最终得到等离子体放电区域的温度、焦耳热、电流密度和速度等分布。模拟结果表明气压为1000 Pa工作电流为100 A条件下：氩等离子体最高温度和最大速度达到11000K和340 m/s,且均出现在阴极尖端位置附近;较强的外侧气流使阳极斑点稳定维持在阳极内侧下边缘位置,其附近等离子体温度在9000 K左右;基体表面附近等离子体温度受到焦耳热分布和阴极高温射流共同作用,维持在3000～4000 K。

高气压SF_(6)中毛细管放电等离子体的喷射特性

毛细管放电等离子体喷射是实现极低工作系数下间隙开关触发导通极具潜力的技术路线,而高气压SF_(6)对等离子体喷射的“抑制效应”直接影响喷射极限和触发特性,亟待开展相关研究。为此构建了高气压SF_(6)中毛细管等离子体喷射实验平台,研究了不同触发能量、毛细管结构和气压对等离子体喷射特性的影响,分析了不同放电次数后的性能劣化过程和机理。结果表明,等离子体喷射发展呈射流状,经过稳定增长到最大高度后迅速消失;提高触发能量可显著提升喷射速度和高度,但存在饱和效应;随着毛细管腔长度增加,喷射速度和高度呈现先增大后减小的趋势,这是消融产气量和寄生体积共同影响所致。SF_(6)气压在0.1~0.5 MPa增加时,等离子体喷射被显著抑制,最大喷射高度从6.3 cm下降至4.3 cm,喷口速度从1710 m/s下降至960 m/s。长期重复放电过程中,等离子体喷射速度和高度均呈现缓慢下降趋势,其主要原因是毛细管材料消融导致微腔形变和寄生体积增大。该研究为高气压SF_(6)中毛细管放电喷射等离子体特性提供了基础数据,对SF_(6)气体间隙开关的性能提升和推广应用具有重要意义。

SPETC炮等离子体发生器自由喷射放电特性研究

从多个方面对固体工质电热化学 (SPETC)炮中等离子体发生器的自由喷射放电特性进行了研究。通过在不同毛细管几何参数、不同消融毛细管材料、不同PFN放电参数、不同脉冲叠加方式等条件下的百余次放电实验 ,结合数值分析 ,得出了在上述不同条件下 。

水中火花放电等离子体的电子密度光谱诊断

目前低温等离子体得到了广泛的应用,而电子密度作为等离子体的一个重要参数引起了许多研究者的兴趣。在等离子体诊断领域应用最广泛的一种方法就是光谱法,它具有无干扰,精度高,响应时间快的优点。我们通过搭建实验平台,在水中进行火花放电得到等离子体并测定放电光谱。通过对Ha(656.3nm)谱线的光谱数据进行洛伦兹拟合得到斯塔克展宽,由斯塔克展宽可以计算得到得电子密度。我们经过计算得到了在脉冲电压从6kV到10kV过程中水中放电等离子体电子密度,其数量级保持在1017cm-3,而等离子体的温度大致在10000-16000之间。本文给出了测定水中火花放电等离子体密度算法及流程可供相关研究参考。

气体间隙开关喷射等离子体触发性能劣化及剩余触发寿命预测研究

喷射等离子体诱导型气体间隙开关用于电力系统过电压防护具有明显优势,但高注入触发能量下多次放电累积效应引起的触发失效问题严重,极限可触发次数具有不确定性,亟须开展触发寿命与触发有效参数的关联规律以及剩余触发寿命预测研究。为此该文搭建了气体间隙开关触发寿命研究平台。结果表明,低容值触发电路可迅速建立触发放电主通道,电弧电流可达3.7kA;高容值触发电路提高了用于解离产气材料而形成喷射等离子体的能量,显著提升了触发腔等离子体喷射触发能力。触发回路电容C_(1)距C_(2)放电时延Δt_(0)、击穿时延Δt_(1)、触通时延Δt_(2)可分别用于表征触发一级腔、二级腔、气体开关导通性能的劣化程度,其变化过程可用于表征气体开关触发失效的阈值范围。以等离子体喷射高度作为预测因子,建立了气体开关剩余触发寿命预测模型ARIMA(1,1,2),预测值与试验结果基本吻合,剩余触发寿命预测误差在10%以内。研究结果可为气体间隙开关实现稳定触通及触发寿命预测提供理论参考和工程应用指导。

等离子体喷射触发气体开关多通道放电特性

为了能够形成稳定的多通道放电,研制了一种等离子体喷射触发气体开关。在触发电极的内部嵌入多个微型激励腔以形成多通道等离子体喷射,从而在主间隙中诱导多通道放电。研究了触发电路连接方式、触发能量和极性对多通道等离子体喷射的影响,比较了开关在两种工作模式下各间隙放电通道数量随工作系数的变化规律。实验结果表明:采用触发电路II连接方式,触发电极的多通道放电效果更好;高触发能量、负极性和低气压条件有利于形成多通道等离子体喷射;当开关运行在工作模式Ⅱ,且在较高工作系数时,具有更好的多通道放电特性。

基于深度学习的火花放电等离子体反应器电压波形优化设计

等离子体点火助燃在近些年来受到了国际众多学者的广泛关注,传统的火花放电等离子体反应器基于重复性实验设计,但随着飞行高度升高,气压降低和燃烧室流速增大,单纯的热效应无法适应逐渐恶劣的燃烧室环境,限制了燃烧室的安全工作边界。为了维持火花放电,更合理更高效地控制等离子体放电反应,产生所需的活性物质和能量,为此对电源电压进行优化设计。利用二维模型、零维模型以及深度学习模型计算分析了放电频率和电子密度增长方式对火花放电的影响,通过神经网络模型计算得到电压幅值的增长率与初始电子密度的增长率成负线性关系,电子密度增长方式中先慢后快和分段增长更省能,而电子密度分段式增长所对应的电压放电所产生的O原子和O(1D)粒子数更多,更有利于助燃。综合考虑能耗和助燃组分粒子数,分段式增长的电子密度所对应的电压波形是火花放电点火助燃最佳的选择。

基于Hβ线和Ag特征谱线Stark展宽的火花放电辅助增强激光诱导击穿等离子体电子密度测量

在火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱技术中利用Ag特征谱线的Stark展宽作为指向,对等离子体电子密度进行了准确测量。采用纯银针作为放电电极,以含氢无机盐磷酸二氢钾为样品,根据Hβ线的Stark展宽确定了不同放电条件下的等离子体平均电子密度,并绘制了Ag Ⅰ 520.91 nm Stark展宽与电子密度相对应的校正曲线。结果表明二者有很好的线性相关性,线性拟合度为0.982。在采用银放电电极的火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱技术中,分析不含氢样品时可以利用Ag原子谱线的Stark展宽间接确定等离子体电子密度,为火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱技术中进行等离子体电子密度分析提供了新的途径。

低压氩气氛火花放电等离子体中铜的时间分辨发射光谱及其激发机理(英文)

抽真空充氩激发条件下,测定了Cu元素的单次火花脉冲放电时的几种原子线和离子线的放电强度随着氩气气氛压力变化的情况。它的原子谱线和离子谱线的放电信号随时间变化的峰形有很大差异。原子共振线CuⅠ324.75 nm的峰宽要大于离子线CuⅡ213.60 nm的峰宽。对于CuⅠ324.75 nm谱线,其单次放电寿命几乎与氩气压力无关,在随时间变化的峰形中包含一个初始峰和一个较大的后端拖尾峰,在氩气压力增大时拖尾峰更加明显。对于CuⅡ213.60 nm谱线,其单次放电寿命在不同氩气压力条件下有一定变化,在随时间变化的峰形中包含一个初始峰和一个小的后端拖尾峰。在每一次火花脉冲放电中,激发机理是随时间变化而变化的,因此上述现象就可以从它们的激发机理的不同得以解释。

新型等离子体喷射触发气体开关

为了提高气体开关的同步性,降低自放电概率和抖动,提出并设计了一种新型等离子体喷射触发气体开关。开关整体结构与传统的三电极场畸变开关相似,最大特点是在触发电极内部嵌入一个微型激励腔,用于产生等离子体喷射。研究了触发电压和气压对等离子体的喷射特性的影响,对比场畸变和等离子体喷射两种触发方式下开关触发特性的差异,并研究触发电压对开关性能的影响。实验结果表明:等离子体喷射高度随触发电压的升高而增加,随气压的升高而降低;采用等离子体喷射触发能够显著降低过压间隙的延时和抖动;提高触发电压不但降低开关的抖动,而且还扩展开关稳定触发的工作范围;当触发电压80kV,工作系数27.4%,开关仍然能够可靠触发,延时和抖动分别为97.1ns和3.5ns。

高压合成回路用放电开关等离子体触发装置特性

高压合成回路要求开关工作在极低工作系数下,常用的开关类型为大气下气体火花开关。为解决气体火花开关在极低工作系数下的触发问题,本文将毛细管放电等离子体喷射技术应用于高压合成回路点火开关。首先采用高速摄影仪拍摄了毛细管放电等离子体喷射形态,然后对不同工作系数下气体火花开关的延时及其分散性进行了测量,最后在实际运行试验中对触发特性进行了验证。实验结果表明:毛细管喷射等离子体沿电极轴向进入电极间隙,形成一条电导率远高于空气的等离子体通道,从而使开关电极导通击穿。等离子体喷射触发气体火花开关导通延时和延时分散性主要由等离子体形态及贯穿过程决定。电极间距为130mm、工作系数为50%条件下,开关导通延时为114μs,分散性为±10μs。实际运行结果表明,等离子体喷射触发气体火花开关能在极低的工作系数下可靠触发导通,成功完成合成试验。

直流等离子体喷射CVD技术制备自支撑金刚石膜的新结构和新形貌(英文)

采用30kW高功率直流等离子体喷射CVD技术制备了自支撑金刚石膜的新型结构,通过使甲烷与氢气的浓度比随沉积时间变化的方法,制备了两层、三层和四层结构。扫描电镜结果显示所制备的层结构是由柱状晶和非常细晶粒组成的,而拉曼谱结果表明这层细晶粒具有纳米金刚石的激光散射特征。在甲烷与氢气的浓度比超过15%的沉积条件下,我们发现一种新形貌,这种形貌是由具有非常好的刻面的晶粒构成的。

镁合金等离子体氧化时火花变化规律的研究

研究M agoxid工艺中镁合金等离子体氧化的过程,此过程分为三个阶段:普通阳极氧化、微弧氧化以及弧光氧化。随着氧化的进行,施加的电压不断升高,火花由微弧向弧光过渡。而微弧和弧光开始均主要集中于样品的边缘,然后均匀分布于整个样品表面。与微弧氧化阶段相比,弧光氧化阶段火花的数量明显减少,尺寸增大,并且持续的时间延长。与火花变化过程相对应,氧化膜表面孔数量减少,直径逐渐增大。氧化时间超过10m in后,氧化膜表面呈现不明显的多孔结构。