针板结构Trichel脉冲放电的光学特性

Trichel脉冲放电为电晕放电中一种常见的不稳定现象。为了进一步揭示Trichel脉冲的放电特性和放电机理,本文利用针板放电结构,在气压为600 Pa的空气环境下研究了Trichel脉冲放电的光学特性。在平均电流为20~300μA范围内,放电分为Trichel脉冲放电模式和正常辉光放电模式。在Trichel脉冲放电模式下,平均极间电压随着平均电流的增高而降低;正常辉光放电模式下,平均极间电压随平均电流的增高基本保持不变。实验拍摄并得到了不同平均电流时的发光图像,从阴极针尖到阳极平板区域分为负辉区、法拉第暗区、正柱区和阳极辉区。随着平均电流的增加,负辉区、正柱区以及阳极表面的发光增强,负辉区体积基本保持不变,法拉第暗区长度逐渐增加,正柱区长度逐渐缩小。在Trichel脉冲消失时,负辉区发光向阴极针尖收缩,正柱区向阳极板贴近,并且两个区域发光明显增强。利用光谱仪在300~800 nm波长范围内测量得到了不同平均电流时的发射光谱。其中在300~450 nm波长范围内的发射光谱强度较高,为氮分子的第二正带系(C^(3)Π_(u)→B^(3)Π_(g))和氮分子离子的第一负带系(B^(2)Σ+u→X^(2)Σ^(+)_(g));在650~800 nm附近发射光谱较弱,为氮分子的第一正带发射谱(B^(3)Πg→A^(3)Σ^(+)_(u))。在此基础上,根据N_(2)(C^(3)П_(u)→B^(3)П_(g))第二正带系发射光谱拟合得到了不同平均电流时氮分子的振动和转动温度。结果表明,分子振动温度和转动温度均随平均电流的增加而增加,分子振动温度在3900~4500 K,分子转动温度在430~450 K。同时利用氮分子离子谱线391.4 nm和氮分子第二正带系谱线394.2 nm强度比计算得到了不同平均电流时的电场强度。随着平均电流的增加,电场强度升高,在145~200 kV·m^(-1)范围。当Trichel脉冲消失时,针尖附近分子振动温度和电场强度出现较为明显的升高。此现象表明针尖附近的电子能量和电子密度随着脉冲的消失也出现了明显的升高。

Trichel脉冲放电中的模式转变实验研究

Trichel脉冲为一种典型的负电晕放电电流形式。为了进一步研究Trichel脉冲放电特征,针对于其放电随机性强、不利于对脉冲单体进行研究这一点,在空气中室温开放环境下,利用针-板电极结构对负电晕放电特性进行了研究,采用统计学方法对其参数—脉冲上升沿时间、半波下降时间、脉冲幅值、脉冲频率—进行概率分布分析。结果表明,在放电过程中,随着电压的上升,Trichel脉冲放电存在着模式转变的过程,模式转变发生为一个连续过程;在该实验条件下,模式转变过程始于电压值为-6.5 k V,止于电压值为8 k V时;在模式转变过程中,脉冲上升沿时间与半波下降时间几乎不变,脉冲幅值改变。脉冲幅值出现大幅度跳变为判断模式转变的一个主要依据。

脉冲放电破岩等离子体通道长度预测方法

针对高压脉冲放电破岩电弧等离子体通道长度难以预测的问题,构建了高压脉冲放电破岩综合试验平台,测量了花岗岩-自来水组合介质下电弧等离子体通道发展特性及典型电流、电压参数,提取了不同电极间距和脉冲放电次数下岩石表面形成的破碎区域。基于能量平衡方程建立了岩石中电弧等离子体通道的阻抗模型,采用迭代优化算法获取阻抗模型参数的近似最优解,模型计算结果与试验结果的相对误差小于7%。基于优化参数,利用实测电流电压数据预测了等离子体通道的长度。模型预测的等离子体通道长度与实测值的绝对误差均处于毫米量级,且两者的相对误差小于10%,为高压脉冲放电破岩系统电源-电极负载的匹配设计提供了理论支撑。

基于场致二次谐波的大气压脉冲流注放电时变非均匀电场测量研究

诊断大气压脉冲流注放电空间电场是实现流注放电精准调控和揭示等离子体不稳定性机制的重要基础。基于场致二次谐波的空间电场测量方法具有非侵入式、时空分辨率高等优点。然而,流注放电时变非均匀电场对二次谐波信号产生过程的影响规律尚不完善,真实电场标定系数随流注放电不同阶段的变化规律尚不清晰。该文首先计算二次谐波信号产生规律和电场空间分布的影响;然后,基于等离子体流体模拟,分析二次谐波信号对流注放电不同阶段时变非均匀电场的敏感程度;最后,基于纳秒脉冲激光场致二次谐波电场测量平台,实验获得了重频脉冲作用下组合电极结构产生的单根负流注轴向电场演变规律,分析脉冲重复频率对空间电场的影响机制,并针对流注放电时变非均匀电场特点提出电场致二次谐波测量优化若干建议。

支路开关自放电对大型多路并联FLTD脉冲源可靠性的影响

快脉冲直线型变压器驱动源(fast linear transformer driver,FLTD)是建设下一代大型Z箍缩装置最有前景的技术路线之一。大型FLTD脉冲源中数以万计气体开关的可靠运行是提高Z箍缩装置可靠性的重要因素。该文基于15 MAZ箍缩科学实验装置的FLTD脉冲源设计,采用Monte-Carlo方法建立考虑支路开关自放电及其载荷共享效应的FLTD脉冲源可靠性计算模型,分析开关故障模式及其触发策略对脉冲源可靠性的影响。结果表明,主支路开关自放电产生的故障电压会引起开关级联自放电,降低装置可靠性。若主支路开关工作系数设定在0.5~0.7范围内,FLTD脉冲源故障率可低于1×10^(-4)。此外,触发器及触发支路开关的高可靠性对于提升脉冲源可靠性至关重要,增加触发器脉冲数量、降低触发器自放电故障率能够有效提升脉冲源可靠性,当触发器脉冲数量提升至4倍后,FLTD脉冲源故障率有望降低至1×10^(-5)以下。研究结果为大型FLTD脉冲源的开关工作系数及触发策略的选取提供参考,具有重要的工程应用价值。

基于COMSOL 的不同温度气体脉冲放电特性的数值模拟研究

为了研究基于脉冲电源的线管式静电除尘器的放电特性,使用COMSOL软件建立了空气放电模型。在实验参数下模拟了空气放电,模拟结果与实验数据结果吻合较好。探究峰值电压、电极尺寸及气体温度等因素对放电特性的影响。结果表明,随着峰值电压及温度的升高,放电空间电子及离子密度逐渐增大,且高密度区域范围逐渐增大。电极半径尺寸越小,放电效果越好,放电空间电子及离子密度越高。研究了不同温度下反应速率与热电子发射对气体放电的影响,发现温度较高时热电子发射对放电具有显著的增强效果,大大提高了放电区域的电子及离子密度。

介质阻挡放电联合脉冲电晕放电灭活水中维氏气单胞菌的效果与机制

将介质阻挡放电(DBD)与脉冲电晕放电(PCD)联合用于水中维氏气单胞菌的灭活,分析了DBD与PCD的协同效应,考察了电压、pH值、载气种类和流量等对DBD联合PCD(DBD/PCD)灭活维氏气单胞菌的影响,探讨了维氏气单胞菌的失活机制,分析了活性物质的种类和作用,并通过斑马鱼攻毒实验验证了DBD/PCD的安全性.结果表明:DBD/PCD对维氏气单胞菌的灭活效果明显高于DBD和PCD单独灭活效果,且二者的协同系数均大于1;经过420s的处理,DBD/PCD可将维氏气单胞菌的浓度降低7个数量级;增加放电电压可显著提高维氏气单胞菌的灭活效率;碱性条件下,氧气作为载气有利于维氏气单胞菌的灭活;在0.5~1.5L/min的范围内,空气流量对灭活效率的影响并不明显.DBD/PCD系统中产生的活性物质首先作用于维氏气单胞菌外膜,使其破裂,然后进入细胞内造成胞内蛋白和毒力基因的损伤,最终导致维氏气单胞菌失活.DBD/PCD系统产生的活性物质·OH、^(1)O_(2)和O_(2)·^(-)在维氏气单胞菌灭活过程中起到了重要作用.斑马鱼攻毒实验表明:DBD/PCD是一种安全高效的水体病原微生物灭活方法.

气体介质与脉冲参数对纳秒脉冲放电特性的影响

在定容弹内研究了介质压力、介质成分以及纳秒脉冲电源所控制的4个脉冲参数(脉冲输出电压、脉冲宽度、脉冲次数、脉冲频率)对纳秒脉冲放电过程的影响.结果表明:介质压力上升,首个脉冲和首个击穿脉冲的电极释放电压均上升,高压维持数增加,首个击穿脉冲的放电能量上升.增大脉冲输出电压可以减少高压维持数,但不改变击穿电压.增大脉冲宽度同样不改变击穿电压,但明显提升了首个击穿脉冲的放电能量.改变容弹内介质中CO_(2)的浓度,首个脉冲和首个击穿脉冲的释放电压、放电能量、高压维持数均增加.升高脉冲频率增强了在不同环境条件下脉冲击穿能力,但不影响能量注入总量.在确保击穿的情况下,脉冲次数的增加则能显著增大脉冲注入的能量,增大粒子云团面积,有助于实际点燃过程.

脉冲电压下油中流注演变规律及放电脉冲特性仿真研究

随着新型电力系统快速发展,油纸绝缘承受的电应力环境更加复杂,其中暂态脉冲下的油纸绝缘放电行为备受关注。为弥补实验研究洞察微观机理能力的不足,基于全电流理论构建油中流注场路耦合模型,研究了脉冲电压下流注演变规律及其影响因素,揭示了放电脉冲波形特性及其与流注演变过程的内在联系。研究表明:暂态脉冲作用下的油中流注可分为球状发展、定向发展、流注消散3个阶段;流注头部场强在球状发展阶段减弱,定向发展阶段维持不变,流注头部净电荷密度始终减弱;起始放电电压的增加、直流分量占比的减小、脉冲陡度的增加均会使流注传播速度与最大半径增加;忽略回路电感作用时,流注将诱发单极性双峰放电脉冲,其中球状发展阶段对应脉冲首峰前沿,定向发展阶段对应首峰下降沿,纸板充电过程对应次峰前沿,电荷消散过程对应次峰下降沿;回路电感将引起放电脉冲的首峰振荡,振荡频率、脉冲幅值均与回路电感近似线性负相关。该研究结果为揭示暂态电应力下油纸绝缘放电机理奠定了理论基础,对统一放电脉冲波形特性具有重要意义。

脉冲放电等离子体光谱干扰机制及其修正方法研究

为解决脉冲放电击穿颗粒流的等离子体光谱(PF-SIBS)中钨电极激发引起的谱线干扰问题,研究了基于等离子体信号探测优化的谱线干扰修正方法。搭建PF-SIBS测量实验系统,以化学纯石墨的颗粒流为研究对象,根据电极间等离子体产生和消亡过程、各特征谱线在等离子体内的分布情况以及各特征谱线信号强度在电极间的变化规律,解析了放电等离子体内各特征元素蒸发、解离和激发的过程,并据此优化光谱探测位置以减弱谱线干扰。研究结果表明:电子在阴极斑点生成,向阳极发射的过程中与电极金属、石墨颗粒流和电极间空气介质发生碰撞电离,产生更多的电子发射,从而形成并维持从阴极向阳极的放电通道。在阴极区域,高能电场产生的焦耳热促使阴极尖端钨金属蒸发溅射,膨胀产生的冲击使得颗粒和空气被排出阴极区域,钨金属的原子及电子占据在阴极区域;在放电通道中部,电子与密集的石墨颗粒流发生碰撞电离;在阳极区域,剩余的放电能量难以蒸发阳极金属,电子主要电离空气介质。可将阴极到阳极的区域划分为阴极金属激发区、中部颗粒激发区和阳极空气激发区。被电离的电极金属、石墨颗粒、空气介质的离子和中性原子占据各自的激发区域,形成等离子体并辐射出对应的特征谱线。从阴极到阳极的特征谱线强度变化呈现了与上述相同的结果,W 247.78 nm谱线强度在阴极区域较强并呈现逐步降低的趋势;C 247.86 nm谱线强度先增后减,在电极间距中心处达到最大;N 744.23 nm谱线强度逐步增强,在阳极尖端处达到最大。以C-W信号强度比作为C-W谱线干扰程度的评价指标,确定了最佳的光谱探测位置为距阳极0.5 mm处。相比于常见的光谱探测位置(电极间距中心),C-W信号强度比从1.200提升至1.348,C 247.86 nm的分峰拟合值与观测值之比从86.02%提升到94.93%,C-W谱线干扰效应显著降低。

脉冲激励下介质阻挡放电负载的特性研究

脉冲激励能大幅度提升介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)负载的放电效率。针对传统的实验研究由于受到实验环境和材料等的限制,无法对脉冲激励下介质阻挡放电的放电特性进行更细致的研究的现状。文中以电压型脉冲激励下填充气体为氩气(Ar)的DBD型负载为研究对象,通过构建DBD负载的一维流体模型对该模型的放电曲线以及在不同脉冲参数和介质层参数的条件下DBD的放电特性进行研究。结果表明:DBD负载在一个周期内产生两次极性相反的放电,第一次放电强度比第二次放电强度要高。此外,通过对放电过程的电气量的时空特征研究得出,可以通过提高脉冲电压的幅值、缩短脉冲升降沿时间、选择相对介电常数高的材料以及减少介质层厚度的方法来提高DBD负载的性能。

脉冲放电等离子体修复绝缘油污染土壤

目的为了探讨绝缘油降解的等离子体工艺参数影响规律和机理,方法利用针板式脉冲放电等离子试验平台,选取峰值电压、含水率、频率等6个参数分析绝缘油处理效果。结果结果表明:影响绝缘油降解率的主要因素依次为峰值电压、含水率、绝缘油初始质量分数、空气流速、频率、处理时间;为实现绝缘油降解,峰值电压应高于10 kV,高电压可促进降解和缩短处理时间,降解率和能量效率最高分别为88.18%,43.71 mg/kJ;适当提升含水率可增加·OH数量,促进降解,但含水率更高时因土壤透气能力降低和团聚增强,限制活性离子传输而抑制降解;绝缘油初始质量分数增加可降低降解率,但质量分数较高时,因土壤内层绝缘油组分无法与高活性物质接触,导致降解量下降;处理前后土壤中绝缘油均以饱和烃为主,低碳烷烃易被降解,随着碳数增加降解率逐渐下降;4环芳香烃降解效果优于2~3环的,但因小分子烃类与苯环高温缩合形成高分子芳香烃,处理后4环以上芳烃含量增加。结论研究结果可为等离子体修复绝缘油污染土壤技术研究提供参考。

液相脉冲放电辅助提取千金藤素的工艺研究

利用液相脉冲放电技术提取金线吊乌龟中千金藤素并优化了工艺流程,以千金藤素的产量为响应指标,通过响应面法优化了放电电压、提取时间和液固比3种因素。结果表明,放电电压为5.5 kV、提取时间为4.2 min、液固比为52 mL/g时千金藤素的最大产量为(13.07±0.52)mg/g,与传统热浸提取产量[(6.3±0.103)mg/g]相比大幅提高;同时液相脉冲放电法的能量消耗为225 kJ/kg,低于传统热浸提取所耗能量(2041.2 kJ/kg)。

一种适用于介质阻挡放电负载的简易型单极性正向脉冲式供电电源

针对常用的负载谐振型波形连续式的供电电源无法充分发挥介质阻挡放电负载的性能,以及现有脉冲式供电电源拓扑结构比较复杂的不足,提出了一种由1个功率开关管、2个二极管和1个耦合电感构成的单极性正向脉冲式供电电源。通过对该供电电源工作模态的分析得出,该供电电源不仅能为介质阻挡负载提供快速上升的脉冲电压,而且功率器件工作于软开关状态。仿真和实验结果验证了该供电电源的可行性,所提出的单极性正向脉冲式供电电源对现有的介质阻挡放电负载的供电电源的升级改造有一定的借鉴意义。

不同空气流量下纯钨电极短电弧脉冲放电过程研究

为进一步探索空气中短电弧加工(short electric arc machining, SEAM)放电过程,揭示短电弧放电加工中凹坑形成和材料去除机制,以空气作为介质,探究0 L/min和20 L/min空气流量对电弧-熔池和材料去除过程的影响,并进行对比试验研究。结果表明,脉冲持续时间内,电弧经历快速膨胀、变形膨胀、稳定和熄灭4个阶段。在电弧膨胀阶段,材料以蚀除颗粒去除为主;在电弧稳定阶段,材料以熔融物与蚀除颗粒去除为主;在放电后续熄灭阶段,材料以熔融物去除为主。此外,连续脉冲放电中容易产生爆炸力,进一步增加金属材料去除量。提高空气流量可增大去除颗粒体积和抑制裂纹产生。

亚毫米间隙负直流电晕放电Trichel脉冲特性

为了研究亚毫米间隙下Trichel脉冲放电特性及机理,搭建100~500μm电极间距的针-板电极放电系统,并配备光学采集系统观测负电晕放电过程,探究亚毫米间隙下电极间距及针尖曲率对伏安特性曲线、Trichel脉冲幅值频率和放电平均电流等的影响。亚毫米间隙空气电晕放电发展到锯齿波阶段过程中不存在无脉冲过渡阶段,在放电锯齿波阶段,亚毫米间隙负电晕放电发展到Trichel脉冲锯齿波阶段后难以过渡到辉光放电阶段,脉冲波形呈现伴有基底电流的锯齿波形式。针-板电极间隙越小,发生电晕放电所需的针尖曲率半径就要越小,但过小曲率半径的针尖电极会使板电极附近的电场高度发散,导致板前电晕放电保持较高的净电荷密度和碰撞电离率。在亚毫米间隙的针-板电极空气放电过程中,当电晕放电发展至板电极即将产生辉光放电时,板前电晕仍保持较高的碰撞电离率并产生二次电子,但针尖电晕还没有达到空气辉光放电所需要的发生电子雪崩的阈值。因此,与毫米级相比,在即将发生的辉光放电之前,电晕放电产生几十微安的基底电流,电晕放电向辉光放电转换过程变短甚至消失。

钨电极的水中脉冲放电过程数值计算研究

建立了针-针钨电极在脉冲电压作用下击穿放电的流体数学模型,利用COMSOL软件仿真水中脉冲放电过程,研究了不同放电条件下钨电极击穿过程中流注的形貌发展、带电粒子的密度和流柱的迁移速度。仿真结果表明:在针-针电极间距为3mm,脉冲电压幅值为11~15kV时,电子密度最大值均在1023·m^(-3)数量级上,随着电压幅值的增大,等离子体中的电子密度峰值也会增大,且流注的发展速度加快;增大钨电极的电极间隙时,流柱发展所用时间变长,但流柱的发展速度也会变快。通过实验中光谱仪的测量数据计算得到的电子密度也处于1023·m^(-3)数量级上,验证了仿真结果的合理性。电子密度的大小会影响放电通道中温度、电场强度和自由基反应速率等物理量,所以电子密度的数值计算有着重要意义。

高倍率脉冲放电锂电池的电气参数辨识

为了实施准确的电池建模和状态估计,需要对电气参数的辨识方法和精度开展对比研究。因此,在综合对比了现阶段常用的3种参数辨识方法的基础上,提出了一种带参数约束的递归最小二乘法,可实现对输出参数的边界约束,从而避免电气参数出现负值的情况,并以预测电压均方差最小为目标输出最优解。利用4种不同算法对实际高倍率脉冲放电样本数据进行了参数辨识和对比分析,结果表明:所提算法辨识的电气参数比其他智能优化算法精度更高,且运算中的时间消耗大大减少。

水中脉冲放电振荡特性分析及抑制方法研究

水中脉冲功率放电过程中产生的电路振荡,会延长放电时间,降低储能电容寿命。为了对电路振荡进行抑制,首先根据脉冲功率放电装置工作环境,利用COMSOL仿真软件,建立了二维轴对称高压放电模型,模拟了11 kV下电极间隙为4 mm下的高压击穿过程,并分析了等离子通道电导率变化趋势。然后建立等离子通道二维阻抗模型,对电极上的实际放电波形进行了非线性回归分析,得到其电阻和电感分别为0.439Ω和19.8729μH。最后根据负载特性提出了用脉冲功率晶闸管来抑制电路振荡的策略,并进行了脉冲功率放电实验。实验表明,通过理论阻抗计算得到的电极电压与实际放电电压相符合,且使用晶闸管脉冲功率开关可有效地抑制电路振荡,使振荡时间由220μs降低到36μs,降低了83.6%。

基于脉冲电流和紫外脉冲的多源局部放电诊断方法

本研究提出了一种基于脉冲电流法和紫外脉冲法联合检测的多源局部放电诊断方法,针对4种基本缺陷模型,搭建了开关柜多源局部放电实验平台。对联合检测得到的局部放电信息特征进行提取并构建数据库,使用k近邻(KNN)算法和有向无环图支持向量机(DAG-SVMs)算法对局部放电类型进行识别。结果表明:脉冲电流法测得的放电图谱中放电次数和放电量的变化与模型中缺陷种类有关,气隙、沿面缺陷的引入使放电量增大和图谱对称性提高,电晕缺陷的引入使放电次数增多;紫外脉冲法测得的放电脉冲数与多源放电模型中缺陷个数和缺陷的紫外/可见光比值有关,缺陷个数和紫外/可见光比值越高,放电脉冲数越大;KNN算法识别准确率最高可达到99.67%。