氣隙長度對(duì)大氣壓下環(huán)氧樹脂阻擋放電的影響研究

摘 要：為了研究氣隙長度對(duì)大氣壓下介質(zhì)阻擋放電的影響機(jī)制，從而進(jìn)一步明晰介質(zhì)阻擋放電的放電機(jī)理及特性，基于氣體放電流體模型，針對(duì)長度3 mm以下的環(huán)氧樹脂阻擋同軸電極氣隙，在外施電場(chǎng)恒定的條件下對(duì)其放電微觀過程進(jìn)行仿真，從帶電粒子微觀運(yùn)動(dòng)角度研究氣隙長度對(duì)氣隙放電特性的影響。仿真結(jié)果表明：在長度小于3 mm的氣隙中，環(huán)氧樹脂的阻擋導(dǎo)致電子崩無法發(fā)展成為流注，其放電形式為湯森放電；氣隙長度對(duì)放電過程的影響主要通過改變帶電粒子的分布和電場(chǎng)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)；氣隙長度對(duì)放電發(fā)展速度幾乎沒有影響；當(dāng)電子崩靠近較短氣隙的陽極時(shí)，其崩頭密度低于較長氣隙；隨著氣隙長度的增加，放電電流峰值增大，上升速度和降落速度增加，脈沖寬度減小。通過對(duì)比理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了仿真方法的合理性。

關(guān)鍵詞：介質(zhì)阻擋放電；氣隙長度；湯森放電；電子崩；流體模型；放電電流

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中圖分類號(hào)：TM852文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on effect of air gap length on epoxy resin barrier discharge in atmospheric pressure air

ZHANG Mengyao， ZHENG Quanfu， LUO Lingen， SHENG Gehao， JIANG Xiuchen

（Department of Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract：In order to investigate the influence of air gap length on dielectric barrier discharge at atmospheric pressure， and further analyze the discharge mechanism and characteristics of dielectric barrier discharge. Under the condition of a constant external electric field， the fluid model is used to simulate the microscopic process of discharge in coaxial plate gap inhibited by epoxy resin less than 3 mm long. The influence of gap length on the characteristics of air gap discharge is investigated from the perspective of charged particle microscopic motion. Simulation results indicate that in gaps with lengths less than 3 mm， epoxy resin prevents the development of electron avalanches into streamers， resulting in Townsend discharge. The impact of gap length on the discharge process is primarily achieved by influencing the distribution of charged particles and the electric field. Gap length has almost no effect on the development speed of the discharge. When electron avalanches approach the anode in shorter gaps， the density of electron in the front of avalanche is lower than in longer gaps. As the gap length increases， the discharge current peak value increases， and both the rise and fall rates of the current increase while the pulse width decreases. Comparing theoretical calculation and experimental results， the rationality of this simulation method was verified.

Keywords：dielectric barrier discharge; air gap length; Townsend discharge; electron avalanche; fluid model; discharge current

0 引 言

介質(zhì)阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD）作為產(chǎn)生大氣壓低溫等離子體的主要方式之一，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)[1]、環(huán)境治理[2]、流動(dòng)控制[3]、材料處理[4]、輔助燃燒[5]及物質(zhì)合成轉(zhuǎn)換[6]等多個(gè)領(lǐng)域中。對(duì)介質(zhì)阻擋放電進(jìn)行時(shí)空演變規(guī)律研究、非線性動(dòng)力學(xué)過程與分析以及各種參數(shù)對(duì)等離子體特性的調(diào)控機(jī)制研究，對(duì)于其在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

目前，已有一些學(xué)者通過仿真或?qū)嶒?yàn)方法研究了不同放電條件下的介質(zhì)阻擋放電特性。鄭殿春［7］通過仿真計(jì)算得到不同脈沖電壓下的六氟化硫（SF6）氣體電極介質(zhì)覆蓋下的放電特性。郝艷捧[8]通過短時(shí)曝光圖像和回路電流研究了不同外加電壓和氣隙長度下大氣壓氦氣介質(zhì)阻擋絲狀、柱狀、局部均勻和全部均勻等放電形式的特性、轉(zhuǎn)換規(guī)律。羅毅[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了外加電壓幅值、氣體間隙距離及作為阻擋層的介質(zhì)材料性質(zhì)對(duì)介質(zhì)阻擋放電的影響。楊蕓[10]采用環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯作為阻擋介質(zhì)，研究了空氣條件下不同放電間距、氣壓和外施電壓下的放電特性。CHEN J通過實(shí)驗(yàn)研究了介電材料表面形貌對(duì)空氣中介質(zhì)阻擋放電特性的影響[11]。

以上研究探索了介質(zhì)阻擋放電在不同條件下的放電特性，包括放電模式、回路電流、電荷與場(chǎng)強(qiáng)分布等，但目前的工作主要以實(shí)驗(yàn)為主，理論研究相對(duì)滯后，對(duì)于實(shí)驗(yàn)規(guī)律背后的微觀機(jī)理研究尚有不足，缺乏結(jié)合與帶電粒子產(chǎn)生、移動(dòng)和消失相關(guān)的具體微觀過程對(duì)放電過程進(jìn)行分析。因此，為進(jìn)一步揭示介質(zhì)阻擋放電的微觀機(jī)理，本文針對(duì)3 mm以下的環(huán)氧樹脂阻擋同軸平行板電極，基于帶電粒子微觀運(yùn)動(dòng)對(duì)其在外施電場(chǎng)恒定條件下的放電特性進(jìn)行仿真，并結(jié)合放電微觀過程闡述氣隙長度對(duì)放電的影響機(jī)制。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，初步證明了所提氣隙長度對(duì)介質(zhì)阻擋放電影響機(jī)制的合理性。

1 氣隙放電模型及求解方法

1.1 流體模型

氣隙放電從微觀上來說包含中性粒子電離、電子-正離子和正負(fù)離子復(fù)合、電子附著于中性粒子、粒子的漂移和擴(kuò)散等物理過程，帶電粒子的移動(dòng)改變氣隙電場(chǎng)分布，因此氣隙放電特性可用帶電粒子密度和電場(chǎng)分布來表征。當(dāng)電極被絕緣介質(zhì)覆蓋時(shí)，兩極的電荷無法被吸收，而是積聚在絕緣介質(zhì)表面，對(duì)氣隙空間電場(chǎng)產(chǎn)生削弱效果，如圖1所示。

式中：Ne、Np、Nn分別為電子、正離子和負(fù)離子的密度；t為時(shí)間；ve、vp、vn分別為電子、正離子和負(fù)離子的速度；D為擴(kuò)散系數(shù)；α為電離系數(shù)；η為附著系數(shù)；β為復(fù)合系數(shù)；Sph為光致電離項(xiàng)；φ為電勢(shì)；q為電子電荷量；ε為空氣介電常數(shù)。

通常情況下，光致電離強(qiáng)度遠(yuǎn)小于碰撞電離強(qiáng)度。但在氣隙放電發(fā)展過程中，電子崩頭部的光致電離過程提供了二次電子崩發(fā)展所必須的電子［13-14］，因此計(jì)算過程中不可忽略光致電離項(xiàng)，本文采用文獻(xiàn)[15]中的方法計(jì)算光電離項(xiàng)。

1.2 氣隙長度對(duì)放電過程的影響機(jī)制

在放電發(fā)展過程中，電離、附著、復(fù)合、對(duì)流和擴(kuò)散等微觀過程導(dǎo)致帶電粒子的產(chǎn)生、消失與遷移，從而改變氣隙中的帶電粒子分布與電場(chǎng)強(qiáng)度。帶電粒子分布與電場(chǎng)強(qiáng)度反過來也會(huì)影響各微觀過程的強(qiáng)度，如圖2所示。

在關(guān)于溫度、濕度、壓強(qiáng)、氣體種類等因素對(duì)氣隙放電過程影響的研究中，這些因素通過影響各粒子間微觀反應(yīng)的強(qiáng)度，即改變放電氣體的理化性質(zhì)來影響放電過程，在數(shù)值計(jì)算研究中體現(xiàn)為放電參數(shù)（電離系數(shù)、吸附系數(shù)、復(fù)合系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等）的改變。然而，氣隙長度的改變并不會(huì)影響放電氣體的理化性質(zhì)，在絕緣介質(zhì)阻擋的情況下，氣隙長度對(duì)放電過程的影響主要通過影響帶電粒子的分布和電場(chǎng)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。

放電初期，在外加強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，電子團(tuán)迅速發(fā)展成為電子崩。當(dāng)初始電子分布和外加電場(chǎng)強(qiáng)度相同時(shí)，不同長度氣隙中的電子團(tuán)具有相同的初始發(fā)展條件。因此，在放電初期，氣隙長度對(duì)電子崩的發(fā)展沒有影響，不同長度的氣隙中電子崩發(fā)展情況基本相同，如圖3所示。

隨著電子崩的迅速發(fā)展，電子密度迅速增加，空間電場(chǎng)畸變加劇，電子崩崩頭不斷向陽極靠近。此時(shí)，較短氣隙中的電子崩會(huì)先到達(dá)陽極。由于絕緣介質(zhì)的阻擋，到達(dá)陽極的電子并不會(huì)被吸收，而是積聚在介質(zhì)板的表面，如圖4所示。絕緣介質(zhì)表面的電子對(duì)空間電場(chǎng)有一定的削弱作用，并且隨著電子積聚數(shù)量的增多，削弱作用逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致較短氣隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度略小于較長氣隙，在較短氣隙的陽極附近差異最為明顯。因此，隨著電子崩向陽極靠近，較短氣隙中的電子崩會(huì)先受到抑制。

當(dāng)較短氣隙中的電子崩崩頭到達(dá)陽極時(shí)，雖然積聚現(xiàn)象導(dǎo)致絕緣介質(zhì)板附近的電子密度顯著增加，但相應(yīng)的電場(chǎng)削弱程度也更加嚴(yán)重，且介質(zhì)板附近的削弱效果最為明顯，如圖5所示。在弱電場(chǎng)下新的電離和二次電子崩無法產(chǎn)生，因此流注無法形成，即放電不能自持。此時(shí)較長氣隙中的電子崩仍在向陽極發(fā)展，但最終也會(huì)因電子積聚受到抑制，流注能否形成取決于崩頭電子密度大小。

綜上，由于絕緣介質(zhì)板的存在，較短氣隙中電子崩的發(fā)展會(huì)更先受到抑制，故不同長度氣隙中的放電發(fā)展過程會(huì)呈現(xiàn)出不同的宏微觀特性。

1.3 放電電流的定義

氣隙放電電流是由氣隙內(nèi)帶電粒子的漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，是氣隙放電過程的重要宏觀參量。Sato[16]從能量平衡方程出發(fā)，考慮間隙中帶電粒子運(yùn)動(dòng)引起的位移電流，推導(dǎo)出一般電極的內(nèi)部脈沖電流公式為

式中：Va為施加在氣隙兩端的外部電壓；Es為不考慮空間電荷的Laplace場(chǎng)強(qiáng)。本文采用此公式計(jì)算放電電流。

1.4 求解方法

本文采用有限差分-通量校正傳輸法[17]進(jìn)行粒子連續(xù)性方程的求解，并結(jié)合超松弛迭代法求解泊松方程。計(jì)算流程如下：

1）設(shè)置仿真參數(shù)（時(shí)間步長、空間步長等）和放電初始條件，計(jì)算超松弛因子。

2）在每一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)進(jìn)行迭代計(jì)算，首先進(jìn)行電位迭代計(jì)算，若滿足收斂條件，則通過電位求解每個(gè)單元在r軸和z軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度大小。計(jì)算電離系數(shù)、吸附系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、復(fù)合系數(shù)等參數(shù)，并求出帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度。分別計(jì)算出對(duì)流、擴(kuò)散、電離、附著、復(fù)合項(xiàng)，從而求出帶電粒子的密度。計(jì)算電流值和削弱后的空間電場(chǎng)強(qiáng)度。

3）得出計(jì)算結(jié)果后，輸出粒子密度、電場(chǎng)分布和放電電流，計(jì)算流程如圖6所示。

2 仿真模型

本文基于以上流體模型和求解方法，使用MATLAB R2020b軟件，在氣壓100 kPa、溫度293 K、相對(duì)濕度20%的條件下，對(duì)不同長度的絕緣介質(zhì)阻擋下的平行板間隙放電過程進(jìn)行二維仿真。仿真結(jié)構(gòu)如圖7所示，平行板氣隙采用同軸圓柱結(jié)構(gòu)，底面半徑為5 mm，分別設(shè)置不同的氣隙長度。

式中：H為相對(duì)濕度；Pw為飽和水蒸氣分壓；Pd為干空氣分壓；αs和αd分別為相應(yīng)的水蒸氣和干空氣中的電離系數(shù)；ηs和ηd分別為水蒸氣和干空氣中的附著系數(shù)；αs、αd、ηs、ηd采用文獻(xiàn)[19]中的計(jì)算公式，具體取值和其他關(guān)鍵放電參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3 仿真結(jié)果及分析

本文仿真了0～100 ns內(nèi)，絕緣介質(zhì)阻擋下的平行板氣隙中電子崩產(chǎn)生到消失的放電發(fā)展過程。通過比較放電發(fā)展速度、電子密度、放電電流，分析氣隙長度變化絕緣介質(zhì)阻擋下放電過程的影響。

3.1 不同氣隙長度下的放電過程

3.1.1 絕緣介質(zhì)阻擋下的放電發(fā)展過程

以板間距離為2 mm的平行板氣隙放電過程為例，分析絕緣介質(zhì)阻擋下的氣隙放電發(fā)展過程。圖8（a）為仿真各時(shí)刻的電子分布情況，圖8（b）為空間電場(chǎng)分布情況。

放電初期，在外加電場(chǎng)的作用下，初始電子團(tuán)向陽極運(yùn)動(dòng)，遷移速度迅速提高，氣隙空間中的碰撞電離加劇，電子密度迅速增加，形成電子崩。碰撞電離和光電離產(chǎn)生的大量電子集中在電子崩頭部，加強(qiáng)了電子崩頭部的電場(chǎng)，進(jìn)一步增加了電離過程的劇烈程度，電子密度呈指數(shù)增長，電子崩向陽極移動(dòng)。由于碰撞電離產(chǎn)生的正離子的運(yùn)動(dòng)速率小于電子的運(yùn)動(dòng)速率，正離子主要分布在電子崩的中部和尾部。正是這種空間電荷的分離導(dǎo)致電子崩前方和尾部的電場(chǎng)被加強(qiáng)，中部的電場(chǎng)被削弱。7.70 ns時(shí)，電子崩的崩頭到達(dá)陽極。

隨著電子崩向陽極發(fā)展，絕緣介質(zhì)板上的電子逐漸累積，氣隙空間中的電場(chǎng)被削弱，電子崩的發(fā)展受到限制。如圖8（b）所示，25 ns后，陽極板附近的電子密度峰值不再增加，說明電子初崩產(chǎn)生的電子已基本積聚在陽極板附近，幾乎沒有新的電子產(chǎn)生。此后，由于電子擴(kuò)散、附著、復(fù)合過程仍在繼續(xù)，陽極板附近的電子密度逐漸降低。

3.1.2 不同氣隙長度下的放電發(fā)展過程

為對(duì)比不同氣隙長度下的放電發(fā)展過程，圖9展示了不同長度的氣隙中關(guān)鍵時(shí)刻的軸向電子分布情況。由于1 mm氣隙中的放電電流過小（數(shù)量級(jí)僅為10-5），故將氣隙長度分別設(shè)置為1.5、2和3 mm。

由圖9可知，2 ns時(shí)3個(gè)氣隙的電子分布曲線基本重合，電子崩的中心距離陰極0.65 mm。5.9 ns時(shí)，1.5 mm氣隙的電子崩中心剛好到達(dá)陽極介質(zhì)板，而2和3 mm氣隙的電子崩中心已超過1.5 mm處，距離陰極1.60 mm，說明1.5 mm氣隙中的電子崩在接近陽極介質(zhì)板時(shí)受到抑制。同理，7.75 ns時(shí)，2 mm氣隙的電子崩中心剛好到達(dá)陽極介質(zhì)板，而3 mm氣隙的電子崩中心已距離陰極2.10 mm。

3.2 氣隙長度對(duì)放電發(fā)展速度的影響

為研究當(dāng)氣隙長度改變時(shí)，絕緣介質(zhì)阻擋下的放電發(fā)展速度是否會(huì)發(fā)生改變，求出不同氣隙長度下每一時(shí)刻電子崩中心距離陰極介質(zhì)板的距離，如圖10所示，其中縱軸表示電子崩頭部電子密度最高處與陰極介質(zhì)板間的距離。

從圖10可以看出，3條曲線在上升階段基本重合，說明不同氣隙長度下的電子崩向陽極發(fā)展的速度基本相同。這是因?yàn)樵陔娮颖赖竭_(dá)陽極介質(zhì)板前，幾乎沒有電子積聚在陽極介質(zhì)板面上，對(duì)空間電場(chǎng)的削弱作用十分微弱。因此，雖然氣隙長度不同，但電子崩向陽極發(fā)展過程中的電場(chǎng)條件基本相同，所以在電子崩到達(dá)陽極介質(zhì)板前，氣隙長度對(duì)絕緣介質(zhì)阻擋下的放電發(fā)展速度幾乎沒有影響。

表2展示了不同氣隙長度下電子崩頭部到達(dá)特定位置的時(shí)間，其中：d表示電子崩頭部距陰極介質(zhì)板的距離；Z表示氣隙長度，分別取1.5、2和3 mm；t表示時(shí)間；v表示電子崩在該位置與前一位置間傳播的平均速度。從表中可以看出，在到達(dá)陽極板前，不同氣隙長度下電子崩發(fā)展至相同位置處的時(shí)間基本相同，但在接近陽極介質(zhì)板處有一定差異。當(dāng)電子崩接近陽極介質(zhì)板時(shí)，電子的積聚使得介質(zhì)板附近的電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生明顯的降低，電子漂移速度、碰撞電離強(qiáng)度減小，電子崩傳播速度相應(yīng)減慢。因此，電子崩接近陽極介質(zhì)板時(shí)的速度相較于電子崩在更長氣隙中到達(dá)同一位置時(shí)的速度更小。

3.3 氣隙長度對(duì)電子密度的影響

表3展示了不同氣隙長度下電子崩崩頭到達(dá)特定位置時(shí)的電子密度。由表可知，電子崩剛開始發(fā)展時(shí)，不同長度氣隙中電子崩到達(dá)同一位置時(shí)的崩頭密度并無區(qū)別。隨著較短氣隙中的電子崩接近陽極介質(zhì)板，其發(fā)展受到抑制，到達(dá)相同位置時(shí)的崩頭密度低于較長氣隙，且隨著電子崩越接近陽極，這一差異逐漸增大。如表3所示，電子崩到達(dá)距陰極1.25 mm處時(shí)，1.5 mm氣隙中電子崩崩頭密度比2 mm氣隙中電子崩崩頭密度小1.3×109 m-3，而電子崩到達(dá)距陰極1.40 mm處時(shí)，這一密度差增加到1.37×1010 m-3。同理，2 mm氣隙中的電子崩到達(dá)距陰極1.75 mm處時(shí)，其崩頭密度比3 mm氣隙中電子崩崩頭密度低1.88×1010 m-3。即在電子崩靠近陽極時(shí)，氣隙長度越大，電子崩崩頭密度越高。

由于介質(zhì)板表面的電子積聚現(xiàn)象，當(dāng)較短氣隙中的電子崩崩頭到達(dá)陽極介質(zhì)板時(shí)，該處的電子密度高于較長氣隙。如表3所示，1.5 mm氣隙中電子崩崩頭抵達(dá)陽極介質(zhì)板時(shí)的密度為12.179×1011 m-3，明顯高于2和3 mm氣隙中電子崩崩頭抵達(dá)距陰極1.5 mm處時(shí)的密度。同樣，2 mm氣隙中電子崩崩頭抵達(dá)陽極介質(zhì)板時(shí)的密度為12.179×1011 m-3，明顯高于2和3 mm氣隙中電子崩崩頭抵達(dá)距陰極1.5 mm處時(shí)的密度。

另外，隨著氣隙長度的增加，電子崩發(fā)展更為充分，放電過程中電子密度的最大值相應(yīng)增加。但即便是3 mm氣隙中的電子密度最大值也沒有達(dá)到形成流注的量級(jí)（1017 m-3），說明本文研究條件下的放電均為湯遜放電。

3.4 氣隙長度對(duì)放電電流的影響

放電電流作為氣隙放電微觀物理過程和宏觀特性間的紐帶，是監(jiān)測(cè)放電過程的重要指標(biāo)。采用1.3節(jié)中的計(jì)算方法求出仿真各時(shí)刻不同氣隙長度下的放電電流，如圖11所示。

由圖11可知，隨著氣隙長度的增加，電流上升越快，峰值顯著增大。表4展示了不同氣隙長度下放電電流的特性指標(biāo)，其中最終值為仿真結(jié)束時(shí)的電流大小，脈沖寬度為1/2峰值間的時(shí)間間隔，上升時(shí)間為電流從峰值的10%上升至峰值所經(jīng)過的時(shí)間，降落時(shí)間為電流從峰值降落至峰值的20%所經(jīng)過的時(shí)間，相應(yīng)得出上升速度與降落速度。

由表4得出以下規(guī)律：

1）氣隙長度越大，電流的上升速度越快，峰值越大。一方面，氣隙越長，電子崩靠近陽極介質(zhì)板的時(shí)間越晚，且同樣數(shù)量的電子積聚在陽極介質(zhì)板上時(shí)，其對(duì)較短氣隙電場(chǎng)的削弱效果越強(qiáng)。另一方面，電流反映的是氣隙內(nèi)帶電粒子漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的總和，電子崩在較長氣隙中有更大的發(fā)展空間，能產(chǎn)生更多的帶電粒子。

2）氣隙長度越大，電流的降落速度越快。當(dāng)電子在陽極介質(zhì)板積聚到一定程度后，新電子的產(chǎn)生速度越來越慢，電子密度不再增加。較長氣隙更利于電子的擴(kuò)散，減小電子分布的集中程度，加快電子通過復(fù)合、附著過程消失的速度。

3）氣隙長度越大，脈沖寬度越小。雖然在較長氣隙中初始電子團(tuán)與陽極介質(zhì)板中的距離更遠(yuǎn)，到達(dá)陽極所需要的時(shí)間大于較短氣隙，但由于較長氣隙中的電場(chǎng)削弱程度更輕，電子在陽極介質(zhì)表面積聚的速度快于較短氣隙。同時(shí)較長氣隙中電子消失的速度更快，故脈沖寬度更小。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型和計(jì)算方法的合理性，本文將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行比較。根據(jù)圖7制作氣隙缺陷模型，該模型由三層環(huán)氧樹脂材料粘合而成。與仿真設(shè)置相對(duì)應(yīng)，模型底面邊長為40 mm，上、下兩層的高度為2 mm，中間層的高度分別設(shè)為1.5、2和3 mm，中心有直徑為10 mm的圓柱形空隙。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示，高壓實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地如圖13所示。為防止缺陷模型表面發(fā)生沿面放電，對(duì)氣隙放電檢測(cè)產(chǎn)生干擾，將缺陷模型置于絕緣油中。

對(duì)于氣隙長度為1.5、2、3 mm的缺陷模型，分別施加5.2、7、11 kV的工頻電壓進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)（由于上、下兩層介質(zhì)板有一定分壓，故施加的電壓略高于仿真電壓），測(cè)得的放電電流波形如圖14所示，各電流峰值與脈沖寬度如表5所示。

對(duì)比圖11、表4和圖14、表5可得，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與仿真結(jié)果中的電流在峰值、脈沖寬度上具有一致性，即隨著氣隙長度的增加，實(shí)驗(yàn)放電電流的峰值明顯增大，脈沖寬度明顯減小。考慮到仿真計(jì)算并不能完全模擬實(shí)際放電過程，且放電過程具有隨機(jī)性，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真基本一致，驗(yàn)證了仿真模型和計(jì)算方法的合理性。另外，陳偉根[20]在其研究中發(fā)現(xiàn)氣隙缺陷長度越大，起始放電量越大，即放電電流值越大，與本文結(jié)論一致。

由于實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備的局限性，本文只從放電電流的角度對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與仿真結(jié)果，其他放電特性將在后續(xù)工作中研究。

5 結(jié) 論

本文基于流體模型，在恒定外加電場(chǎng)強(qiáng)度的條件下對(duì)3 mm以下的環(huán)氧樹脂阻擋氣隙放電微觀過程進(jìn)行仿真，研究了氣隙長度對(duì)氣隙放電宏微觀特性的影響，結(jié)論如下：

1）在環(huán)氧樹脂阻擋下，放電過程中電子逐漸積聚在陽極介質(zhì)板表面，流注無法形成，放電模式為湯遜放電。

2）氣隙長度對(duì)放電過程的影響主要通過影響帶電粒子的分布和電場(chǎng)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。由于環(huán)氧樹脂的阻擋作用，較短氣隙中電子崩的發(fā)展會(huì)更先受到抑制，因此不同長度氣隙中的放電過程呈現(xiàn)出不同的宏微觀特性。

3）在電子崩遠(yuǎn)離陽極時(shí)，同一時(shí)刻不同氣隙中的放電發(fā)展速度和崩頭電子密度基本相同；隨著較短氣隙中的電子崩先靠近陽極，其放電發(fā)展速度減慢，崩頭的電子密度低于較長氣隙。

4）隨著氣隙長度的增加，放電電流峰值增大，上升速度和降落速度增加，脈沖寬度減小。

參 考 文 獻(xiàn)：

［1］張麗陽， 郭云濤， 帖金鳳， 等. 大氣壓柵狀介質(zhì)阻擋放電等離子體空氣消毒研究[J/OL].高電壓技術(shù)：1-17[2023-12-23].https：//doi.org/10.13336/j.1003-6520.hve.20231161.

ZHANG Liyang， GUO Yuntao， TIE Jinfeng， et al. Air disinfection by atmospheric pressure grating-like dielectric barrier discharge plasma[J/OL].High Voltage Engineering：1-17[2023-12-23].https：//doi.org/10.13336/j.1003-6520.hve.20231161.

［2］瞿瑩， 郭鳳艷， 崔宇韜， 等.流化床DBD等離子體耦合CeO2/γ-Al2O3催化修復(fù)阿特拉津污染土壤[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2024， 44（1）： 1.

QU Ying， GUO Fengyan， CUI Yutao， et al. Remediation of atrazine-contaminated soil by the fluidized-bed DBD plasma coupled CeO2/γ-Al2O3 catalysis[J]. Acta Scientiae Circumstantiae， 2024， 44（1）： 1.

［3］蘇志， 宗豪華， 梁華， 等. 等離子體湍流摩擦減阻研究進(jìn)展與展望[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)， 2023， 41（9）： 1.

SU Zhi， ZONG Haohua， LIANG Hua， et al. Progress and outlook of plasma-based turbulent skin-friction drag reduction[J]. Acta Aerodynamica Sinica， 2023， 41（9）： 1.

［4］米彥， 茍家喜， 劉露露， 等.脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體改性對(duì)BN/EP復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度和熱導(dǎo)率的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2020， 35（18）： 3949.

MI Yan， GOU Jiaxi， LIU Lulu， et al. Effect of pulse dielectric barrier discharge plasma modification on breakdown strength and thermal conductivity of BN/EP composites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2020， 35（18）： 3949.

［5］李平， 彭超， 陶華楊， 等. 磁場(chǎng)增強(qiáng)DBD等離子體改善煤炭燃燒的特性[J]. 高電壓技術(shù)， 2023， 49（10）： 4436.

LI Ping， PENG Chao， TAO Huayang， et al. Improving coal combustion characteristics by magnetic field enhanced DBD plasma[J]. High Voltage Engineering， 2023， 49（10）： 4436.

［6］王帥. 面向NO轉(zhuǎn)化的介質(zhì)阻擋放電負(fù)載建模與電源設(shè)計(jì)方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)， 2018.

［7］鄭殿春， 沈湘東， 鄭秋平， 等.電極介質(zhì)覆蓋SF6間隙納秒脈沖電壓放電特性研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2019，23（11）：84.

ZHENG Dianchun， SHEN Xiangdong， ZHENG Qiuping， et al. SF6 discharge behaviors of electrode-covered with dielectric under nanosecond impulse voltages[J]. Electric Machines and Control， 2019， 23（11）： 84.

［8］郝艷捧， 韓玉英， 黃之明， 等.大氣壓氦氣平行板介質(zhì)阻擋放電的形式轉(zhuǎn)換[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018， 33（13）： 3041.

HAO Yanpeng， HAN Yuying， HUANG Zhiming， et al. Discharge transitions of parallel dielectric barrier in atmospheric pressure helium[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（13）： 3041.

［9］羅毅， 方志， 邱毓昌， 等.介質(zhì)阻擋放電影響因素分析[J].高壓電器， 2004（2）： 81.

LUO Yi， FANG Zhi， QIU Yuchang， et al. Analysis of influencing factors on dielectric barrier discharge[J]. High Voltage Aparatus， 2004（2）： 81.

［10］楊蕓， 張冠軍， 楊國清， 等.空氣條件下介質(zhì)阻擋放電影響因素的研究[J].高電壓技術(shù)， 2007，33（2）： 37.

YANG Yun， ZHANG Guanjun，YANG Guoqing， et al. Study on influential factors of dielectric barrier discharge in air[J]. High Voltage Engineering， 2007，33（2）： 37.

［11］CHEN J， LIU F， ZHAO Y， et al. Effects of repetition frequency and rising edge time on uniformity of air dielectric barrier discharge[C]//Proceedings of the 2022 IEEE International Conference on Plasma Science （ICOPS）， May 22-26， 2022， Seattle， WA， USA.2022：1.

［12］DAVIES A J， DAVIES C S， EVANS C J. Computer simulation of rapidly developing gaseous discharges[J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers， 1971， 118（6）：816.

［13］YU V S， LARSSON A， GUBANSKI S M， et al. The propagation of positive streamers in a weak and uniform background electric field[J]. Journal of Physics D： Applied Physics， 2001， 34（4）： 614.

［14］張赟， 曾嶸， 楊學(xué)昌， 等.大氣壓下流注放電光電離過程的數(shù)值仿真[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2009， 29（4）： 110.

ZHANG Yun， ZENG Rong， YANG Xuechang， et al. Study on photoionization produced by discharge in atmospheric air by numerical method[J].Proceedings of the CSEE，2009，29（4）：110.

［15］朱士華. 短間隙SF6、N2及其混合氣體放電過程分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)， 2012.

［16］DHALI S K， WILLIAMS P F. Two-dimensional studies of streamers in gases[J]. Journal of Applied Physics， 1987， 62（12）： 4696.

［17］SATO N. Discharge current induced by the motion of charged particles[J]. Journal of Physics D： Applied Physics， 1980， 13（1）： 3.

［18］徐明銘. 空氣濕度對(duì)直流電暈放電影響的研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)， 2014.

［19］ABDEL-SALAM M. Positive wire-to-plane coronas as influenced by atmospheric humidity[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，1985，21（1）： 35.

［20］陳偉根， 龍震澤， 謝波， 等.不同氣隙尺寸的油紙絕緣氣隙放電特征及發(fā)展階段識(shí)別[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（10）：49.

CHEN Weigen， LONG Zhenze， XIE Bo， et al. Characteristics and development stage recognition of air-gap discharge within oil-paper insulation considering effect of cavity size[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2016， 31（10）： 49.

（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2023-12-28

基金項(xiàng)目：

作者簡(jiǎn)介：張夢(mèng)瑤（2001—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷；

鄭全福（1998—），男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測(cè)及其數(shù)字化；

羅林根（1982—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備狀態(tài)評(píng)估、復(fù)雜電力系統(tǒng)脆弱性分析;

盛戈皞（1974—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能化；

江秀臣（1965—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測(cè)、智能電網(wǎng)。

通信作者：羅林根