孫永衛(wèi),劉浩,原青云,李宇明

(1.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所,河北石家莊 050003;2.石家莊職工大學教務處,河北石家莊 050041)

電暈放電輻射場實驗研究

孫永衛(wèi)1,劉浩2,原青云1,李宇明1

(1.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所,河北石家莊 050003;2.石家莊職工大學教務處,河北石家莊 050041)

針對帶高壓物體的電暈放電輻射信號的時域、頻域特征開展研究,對靜電電暈放電電流、輻射場進行了理論分析,設計完成了靜電電暈放電電流及輻射信號實驗.研究發(fā)現(xiàn),不同極性電暈放電的輻射場波形測試有明顯差別:實驗條件為負極性時,先發(fā)生電暈放電,但正極性放電發(fā)生時,脈沖幅值比負極性時大;負電暈電流脈沖波形的上升時間小于正電暈電流.實驗結(jié)構(gòu)不同,電暈放電輻射場的特征不同:利用電暈放電針與直流高壓源直接相連的實驗結(jié)構(gòu)得到的放電波形的上升時間為十幾個ns,頻率分布集中在20～100 M Hz;利用孤立導體電暈放電實驗結(jié)構(gòu)得到的放電波形的上升時間為幾個ns,頻率分布集中在200～600 M Hz.結(jié)論對于研究帶高壓物體的電暈放電輻射信號特征具有很好的參考價值.

電暈放電;脈沖電流;輻射場

架空高壓輸電線具有輸送能力強、損耗小、穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點,我國正廣泛發(fā)展高壓、特高壓輸電線路.高電壓導致強電場,當輸電線路局部電場強度超過氣體的電離強度時,氣體會發(fā)生電離和激勵,有時還可以看見導體周圍發(fā)出的藍紫色光暈,聽到輕微的放電聲,嗅到臭氧的氣味,這種現(xiàn)象就是電暈放電.空間獨立帶電導體尖端處的電場強度超過空氣的擊穿場強時,也會發(fā)生電暈放電.電暈放電危害主要表現(xiàn)為如下幾方面:1)高壓輸電線上的電暈放電會導致傳輸功率損耗,造成不必要的電力浪費.2)電暈放電將產(chǎn)生光、聲、熱等效應,并使周圍空氣發(fā)生化學反應,生成臭氧及氧化氮等產(chǎn)物,腐蝕輸電線路.3)電暈放電會產(chǎn)生周期性的高頻脈沖電流(也稱為特里切爾電流)[1],其中還包含許多高次諧波,這些頻率正好位于射頻段,對無線電、電視信號傳輸和高頻通訊造成干擾[2].從目前的參考文獻來看,研究工作主要停留在闡述電暈產(chǎn)生的機理、危害性、影響因素及防范措施[3]方面,對電暈所產(chǎn)生的電磁輻射缺乏深入的理論研究.因此,研究電暈電流及其輻射場的特征對于控制、利用和抑制電暈放電都具有非常重要的意義.

1 電暈放電電流及其脈沖特性

1.1 空氣中的電暈電流

帶電體電極與外界極間場強均未超過空氣的擊穿場強,但是由于宇宙射線和自然界中其他放射性射線在空氣中產(chǎn)生的電子、離子對作用,在兩極間有一定的電流通過,并隨著電壓的升高達到一飽和值,飽和電流的量級為10-14A.這一電流是在空氣中電子電流密度,通過解1個電子在由帶負電的電暈針和接地面板所構(gòu)成的極不均勻電場中的湯生方程來計算的[4].電壓繼續(xù)升高到帶電體電極與外界極間場強超過空氣的擊穿場強,在電暈針附近的空氣中產(chǎn)生電子和離子對,導致電子雪崩,發(fā)生電暈放電.電流起初是由電子的移動決定的,然后由大量積聚的正負離子決定.同時,從電暈包中釋放出的光子會進一步造成空氣的電離,由于光電效應會從導體中釋放出新的電子[5].在放電過程中,在電子階段電流具有非常快的上升沿,而在離子階段則呈指數(shù)衰減.由于電子電流對于大部分輻射脈沖的高頻段都有作用,因此這里只研究了電子電流部分.

結(jié)果由下面的方程給出:

式中,J(x′,t′)為t′時刻x′點的電流密度,q為電子電荷(1.602×10-19C),n0為初始電子數(shù)密度(電子數(shù)/cm3),δ(t′-τ)為t′時刻單位點電荷的密度,A為常量(14.6);p為大氣壓(1.013×105Pa),C1為常量(160);a為電暈針的半徑(0.01 cm).參數(shù)τ可由下式給出:

式中,b為電子遷移率(500 cm2/(V·s)),B為常量(365).

1.2 導體上的電暈電流[3]

電暈放電時導體上的電流脈沖可由下式給出:

式中,i(t′)是導體上的電流脈沖,J1(x′,t′)由式(1)給出.電場分布

式中,l為針-板間距,U為導體上的電壓.把式(4)帶入式(3)得

1.3 電暈電流的脈沖特性

參考相關(guān)文獻[3],得出在放電周期中產(chǎn)生的隨時間變化的電暈電流脈沖本質(zhì)上成雙指數(shù)分布,并且可由下式表示:

式中,I0為電流脈沖的峰值,α,β分別取值為3.3×107和9.4×109.

正負電暈電流脈沖的時域特征如圖1所示.

圖1 電暈電流脈沖時域特征Fig.1 Time-domain represen tation of the corona curren t pulse

2 電暈放電輻射場實驗

2.1 電暈電流的實驗

實驗利用自制電暈放電針和帶有球形電極的雙極性高壓源進行了電暈電流實驗研究.實驗環(huán)境溫度23℃,相對濕度為65%.

首先將電流探頭CT1(5 m V/1 m A)連接在電暈放電針上,并和數(shù)字存儲示波器Teck 7404B(4 GHz, 20 Gs/S)相連.通過逐漸升高帶有球形電極的高壓直流源的電壓,在一定距離上使電暈針對直流電壓源的球形電極發(fā)生電暈放電,電暈針上流過電暈放電產(chǎn)生的電暈電流.此時,電流探頭感應到電暈電流并傳輸?shù)綌?shù)字存儲示波器Teck 7404B測量流過電暈針的電暈電流和記錄電流波形.放電過程中,能聽到空氣擊穿的“咝咝”聲,并能聞到臭氧氣味兒.圖2是正電暈電流脈沖波形.圖3是負電暈電流脈沖波形.

通過實驗得出,正、負電暈電流脈沖波形都具有陡峭的前沿,并且在緩變的脈沖電流波形上都有數(shù)個波動.與正極性電暈放電相比,負極性首先發(fā)生電暈放電,根據(jù)電流探頭參數(shù),從圖中參數(shù)換算得出正、負電暈電流峰值,正電暈電流脈沖幅值大于負電暈.表1為電暈放電電流脈沖波形參數(shù).

另外,通過實驗還發(fā)現(xiàn),隨著直流電壓源電壓的升高,流經(jīng)電暈放電針的脈沖電流頻率隨之變大.在相同的電壓下,負電暈脈沖頻率小于正電暈脈沖頻率,這與“特里切爾”脈沖頻率特性相一致[6].

表1 電暈放電電流脈沖波形參數(shù)Tab.1 Parameter of waveform for corona current

2.2 電暈放電輻射場特征的實驗

實驗還對電暈放電輻射場特征進行了研究.實驗環(huán)境溫度為20℃,相對濕度為50%.

為區(qū)別比較不同實驗條件下電暈放電的特性,分別對2種不同的實驗結(jié)構(gòu)進行了電暈放電實驗.一種是電暈放電針與直流高壓源直接相連的實驗結(jié)構(gòu),電暈放電針通過高壓線由直流高壓源直接供電對周圍空氣發(fā)生電暈放電;一種是孤立導體電暈放電實驗結(jié)構(gòu),首先利用直流電壓源對孤立金屬圓盤充電,再通過帶電的孤立金屬圓盤上的電暈放電針對周圍空氣發(fā)生電暈放電.2種實驗結(jié)構(gòu)中的電暈放電針幾何尺寸完全一致,但后一種電暈放電形式在每次放電后必須重新使用直流電源對其進行加電.圖4、圖5是利用電暈放電針與直流高壓源直接相連的實驗結(jié)構(gòu)得到的信號波形及其相應的頻譜;圖6、圖7是利用孤立導體電暈放電實驗結(jié)構(gòu)得到的信號波形及其相應的頻譜,實驗所加電壓為+80 kV.

從圖4,6中可以看出,電暈放電輻射場的時域波形特征表現(xiàn)為一系列脈沖,即形成脈沖群,其中單個脈沖的波形特征類似于衰減振蕩,觸發(fā)后主峰快速衰減,之后出現(xiàn)次峰.根據(jù)不同數(shù)據(jù)兩峰時間差相近的性質(zhì)以及相關(guān)分析,次相應可能是反射信號.從兩圖中還可以得出,利用電暈放電針與直流高壓源直接相連的實驗結(jié)構(gòu)得到的電暈放電時域波形存在的時間約為300 ns,上升時間為十幾個ns;利用孤立導體電暈放電實驗結(jié)構(gòu)得到的電暈放電時域波形持續(xù)時間約為70 ns,上升時間為幾個ns,這說明電暈放電頻率分布范圍很寬.從圖5信號頻譜分析可以看出,利用電暈放電針與直流高壓源直接相連的實驗結(jié)構(gòu)得到的電暈放電的信號頻率范圍主要集中在20～100 M Hz;從圖7可以看出利用孤立導體電暈放電實驗結(jié)構(gòu)得到的電暈放電信號頻率范圍主要集中在200～600 M Hz,這說明實驗結(jié)構(gòu)不同,得到的電暈放電頻率分布特點不同.

3 結(jié)論

通過理論分析及實驗研究,概括總結(jié)電暈放電具有以下特點:

1)與正極性電暈放電相比,負極性首先發(fā)生電暈放電,電暈放電過程中將會產(chǎn)生具有脈沖特性的電暈電流,正電暈脈沖電流上升沿、幅值大于負電暈.

2)電暈放電的脈沖電流重復頻率隨著電壓的升高變大,在相同的電壓下,負電暈脈沖頻率小于正電暈脈沖頻率重復頻率.

3)電暈放電輻射場的時域波形特征為一系列的放電脈沖,即形成脈沖群,其中單個脈沖的波形特征類似于衰減振蕩,且信號波形上升沿為幾個ns到十幾個ns,通過頻譜分析表明放電頻率分布范圍很寬.

4)電暈放電輻射場的頻率與實驗結(jié)構(gòu)相關(guān),電暈放電針由直流高壓源直接供電發(fā)生電暈放電時的信號頻率范圍主要集中在20～100 M Hz;通過孤立導體進行電暈放電時信號頻率范圍主要集中在200～600 M Hz.

[1]劉尚合,魏光輝,劉直承,等.靜電理論與防護[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1999.

[2]張海鋒,龐其昌,陳秀春.高壓電暈放電特征及其檢測[J].電測與儀表,2006,43(482):6-8.

[3]FRED PV.Electromagnetic radiation from co rona discharge[R].Denver:University of Denver,1977.

[4]RAETHER H.Electron avalanches and breakdow n in gases[M].London:Butterwo rths,1964.

[5]梁曦東.高電壓工程[M].北京:清華大學出版社,2003.

[6]TRICHEL GW.Themechanism of negative point to p lane co rona onset[J].Physical Review,1938,54:1038.

Research on Radiated Field of Corona Discharge

SUN Yong-w ei1,LIU Hao2,YUAN Qing-yun1,LIYu-ming1
(1.Electrostatic and Electromagnetic Protection Institute,O rdnance Engineering Co llege, Shijiazhuang 050003,China;2.Department of Teaching Affairs,Shijiazhaung Staff and Wo rker’s University,Shijiazhuang 050041,China)

The characteristicsof signal radiated of time domain and f requency domain from co rona discharge.The theo ries of co rona cu rrent and its radiation field w ere analyzed.The experim en ts show ed that the polarity effect of the waveform of co rona current pulse was distinct,1)negative corona discharge occured firstly and the pulse amp litude was sho rter than that of positive co rona;2)the rising time of pulse w avefo rm of negative co rona cu rrent w as sm aller than that of positive co rona current.The characteristics of radiation field from co rona discharge was different w hen the experimental structure was different,the rising time of discharge wavefo rm wasabout 10ns,and the f requency range was from 20 to 100 M Hz w hen the experimental structure conjunction the source were used;the rising time of discharge waveform was several ns,and the f requency range w as f rom 200 to 600 M Hz w hen isolated conducto r experim ental structure were used.The resultswere important to research on the characteristicsof signal radiated from corona discharge that happed on the charged object.

corona discharge;pulse current;radiation field

O 441

A

1000-1565(2010)05-0494-05

2010-04-20

國家自然科學基金資助項目(60971042;60871066)

孫永衛(wèi)(1968—),男,山東海陽人,軍械工程學院副教授,博士后,主要從事靜電防護與理論方向研究.

(責任編輯:孟素蘭)