張嘉曦，孫博，崔招，朱俊璐，張子生

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

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線-輥式高壓靜電分選裝置放電電流特性分析

張嘉曦，孫博，崔招，朱俊璐，張子生

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

為了提高高壓靜電分選效率，探究轉(zhuǎn)輥表面電流分布規(guī)律.采用自制的線-輥式高壓放電裝置，改變電極排布，測量轉(zhuǎn)輥表面電流分布.結(jié)果表明：在同等條件下，單根電暈線直徑越小放電電流越大，轉(zhuǎn)輥表面電流整體呈正態(tài)分布；2根電暈線放電時，電流分布范圍擴(kuò)大，整體電流增強(qiáng)；3根電暈線放電，在兩外側(cè)電暈線夾角為60°，3根電暈線與轉(zhuǎn)輥表面間距均為45 mm的位置時，兩外側(cè)峰值電流在轉(zhuǎn)輥表面上的夾角約為72°，總體電流較大且分布均勻，有利于待分選物料荷電，提高分選效率.本研究為優(yōu)化靜電分選裝置電極設(shè)計提供依據(jù).

靜電分選；電暈線；電流分布

高壓靜電分選已經(jīng)普遍應(yīng)用在廢品回收領(lǐng)域，它是利用待分選物料各組分間的導(dǎo)電性差異，在電場力、重力、離心力等因素同時作用下，實現(xiàn)物料分離的一項技術(shù)[1-3].影響待分選物料受力的關(guān)鍵因素是空間電場強(qiáng)度和電場分布.眾多的國內(nèi)外學(xué)者做了很多靜電分選電場特性的研究.國際上，Dascalescu等[4-5]通過建立數(shù)學(xué)模型，分析空間電場強(qiáng)度和空間電荷密度的分布對靜電分選效率的影響；Alagoz等[6]采用時域有限差分法研究了負(fù)電暈放電靜電場中空間電荷運動.在國內(nèi)，李佳等[7-8]以電暈線與圓柱為放電模型，利用MATLAB數(shù)學(xué)模擬軟件對高壓靜電分選機(jī)的靜電場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬.張子生等[9-10]對針-輥式高壓放電電極進(jìn)行了優(yōu)化.目前，眾多國內(nèi)外專家關(guān)于靜電分選電場特性的研究均停留在轉(zhuǎn)輥整體電流測量上，而沒有對轉(zhuǎn)輥表面各個區(qū)域的電流分布進(jìn)行研究；與此同時，研究多采用單電極結(jié)構(gòu)放電，而多電極結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)輥表面放電效果尚不明確.

本文利用獨立設(shè)計的放電模擬裝置進(jìn)行實驗，改變線-輥式放電模型中單根、2根或3根電暈線的不同角度位置，距轉(zhuǎn)輥表面不同間距等條件，尋求待分選物料充分荷電的最佳電暈線排布，得到在轉(zhuǎn)輥表面覆蓋范圍大且均勻的電場.通過MATLAB軟件，模擬了2根和3根電暈線空間電場，與實驗測得的結(jié)果進(jìn)行對比驗證，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果吻合，為設(shè)計高效靜電分選設(shè)備提供了一定的理論依據(jù).

1 實驗裝置及方法

實驗設(shè)計了線-輥式放電模擬裝置，該裝置以一個長度為410 mm，半徑為125 mm的絕緣轉(zhuǎn)輥代替高壓靜電分選時的轉(zhuǎn)輥，圖1為該裝置的側(cè)視圖及相對尺寸示意圖.將轉(zhuǎn)輥的1/4表面(此區(qū)域為待分選物料荷電的主要區(qū)域)平均分割成等間距的26塊小區(qū)域，每塊區(qū)域上都用銅條(寬5 mm×長410 mm)覆蓋，銅條之間絕緣(絕緣間隙寬為1 mm).通過26個子開關(guān)控制微安表1(C31/1-μA型)測量流經(jīng)每條銅條上的電流，以此表征每根銅條位置的電場強(qiáng)度的大小.在實驗中，通過電壓調(diào)節(jié)器、高壓變壓器、高壓硅整流器調(diào)節(jié)放電電壓，用靜壓電壓表(Q4-V型)測量電暈線與接地轉(zhuǎn)輥之間的電壓值，實驗裝置如圖2所示.

圖1 線-輥式放電模擬裝置側(cè)視圖及相對尺寸Fig.1 Lateral view and relative size of wire-roller discharge simulator

圖2 線-輥式放電實驗裝置Fig.2 Scheme of wire-roller discharge device

如圖1所示，轉(zhuǎn)輥表面1/4范圍內(nèi)的銅條序號按順時針依次標(biāo)記為1到26.實驗采用長度為410 mm的電暈線，測量單根、2根(L1和L2)和3根(L1、L2、L3)電暈線對轉(zhuǎn)輥表面放電的電流分布.利用MATLAB軟件模擬空間電場分布，形象、直觀地呈現(xiàn)電場的變化和轉(zhuǎn)輥表面場強(qiáng)分布特性.實驗在35 kV電壓下進(jìn)行.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 單根電暈線對轉(zhuǎn)輥表面放電特性

分別選取直徑為1.3、1.6和2 mm的3種電暈線，固定在距離轉(zhuǎn)輥表面45 mm，與水平x軸呈45°角的位置上，對轉(zhuǎn)輥表面進(jìn)行放電.用微安表1測量轉(zhuǎn)輥表面上每個銅條流經(jīng)的電流值.圖3為不同直徑的電暈線對轉(zhuǎn)輥表面放電特性.

實驗結(jié)果表明，在相同電壓和間距下，電暈線直徑越小，放電電流越大.這是由于曲率半徑越小，越容易使電極附近局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，放電效果越強(qiáng)[11-12].這3種不同直徑的電暈線在轉(zhuǎn)輥表面上的放電電流覆蓋范圍基本相同，峰值電流位置也相同.在第14根銅條處比較3個峰值電流：1.3 mm電暈線峰值電流是1.6 mm電暈線峰值電流的1.5倍，是2 mm電暈線峰值電流的2倍.由此可知，直徑1.3 mm的電暈線放電強(qiáng)于其他2種直徑的電暈線，故后續(xù)實驗采用直徑1.3 mm的電暈線.

在與水平x軸呈45°角的方向上，選取與轉(zhuǎn)輥表面間距分別為45、65和85 mm的位置，測量分析單根電暈線在距轉(zhuǎn)輥表面不同間距時的放電特性，如圖4所示.圖4表明：在固定單根電暈線與水平x軸呈45°角，不同間距的電流分布趨勢基本一致，銅條上測得的電流值隨著銅條序號的增大先逐漸增大然后再逐漸減小.

圖3 不同直徑的電暈線對轉(zhuǎn)輥表面放電特性Fig.3 Current characteristic of the corona wire to roller surface with different diameter

圖4 電暈線在距轉(zhuǎn)輥不同間距時的放電特性Fig.4 Current discharged characteristic of the corona wire to roller surface with different distance

圖5 電暈線在不同角度時的放電特性Fig.5 Current discharged characteristic of the corona wire to roller surface with different angle

在第14銅條處達(dá)到峰值，左右各6條銅條上電流值相對較大，整體上呈正態(tài)分布曲線.

通過實驗可知，電暈線與轉(zhuǎn)輥表面間距越小，測得的峰值電流越高，電場對待分選物料的作用越強(qiáng).但是電暈線不可以無限接近轉(zhuǎn)輥表面，在電壓一定的條件下，電極在接近轉(zhuǎn)輥的過程中在某個間距發(fā)生火花放電，實際應(yīng)用時需結(jié)合物料下料厚度、荷電強(qiáng)度與范圍等客觀條件設(shè)置適當(dāng)?shù)拈g距.

在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)行同一間距的不同角度位置放電實驗.選定電暈線與轉(zhuǎn)輥表面間距為45 mm，設(shè)定與水平x軸呈22.5°、30°、37.5°和45° 4個角度進(jìn)行放電實驗，測量轉(zhuǎn)輥表面電流，如圖5所示.圖5表明：電暈線在各個角度放電時的峰值電流基本相等，同樣是以電暈線正對角度為中心左右各6條(左右各偏轉(zhuǎn)約22°)處的銅條上電流值較大，整體上呈正態(tài)分布曲線，這一范圍也是待分選物料的有效荷電區(qū)域.電暈線與水平x軸的夾角越小，測得的整體電流分布曲線向銅條序號大的方向(靠近x軸方向)偏移，即待分選物料的有效荷電區(qū)域越接近水平方向.

2.2 2根電暈線對轉(zhuǎn)輥表面放電特性

在圖1中取電暈線L1和L2進(jìn)行放電實驗，2電暈線之間的夾角為γ，L1和L2相對水平x軸的角度分別為α、β.圖6是2根電暈線對轉(zhuǎn)輥表面放電特性，圖6a、b、c分別表示2電暈線L1和L2與轉(zhuǎn)輥表面的間距h1為45、65和85 mm時，改變2線之間夾角γ，測量得到各銅條上的電流值.實驗中，當(dāng)γ=30°時，對應(yīng)的α=30°，β=60°；當(dāng)γ=45°時，對應(yīng)的α=22.5°，β=67.5°；當(dāng)γ=60°時，對應(yīng)的α=15°，β=75°.

從圖6中3個圖比較可以看出，在相同間距時，2條電暈線的夾角γ越大，放電電流的峰值之間的距離越大.距離轉(zhuǎn)輥表面越近，所測得的放電電流越大，而且變化趨勢相對穩(wěn)定.

圖6 2根電暈線對轉(zhuǎn)輥表面放電特性Fig.6 Current discharged characteristic of two corona wires to roller surface

在h1=45 mm，γ=30°時，對2根電暈線與單根電暈線放電的峰值電流進(jìn)行比較.當(dāng)γ=30°時，L1與水平x軸的夾角α=30°，其峰值在第19根的銅條位置；而單根電暈線在與x軸呈30°時，峰值電流在第18根銅條位置，峰值電流位置向外偏移了約3.6°.此時2電暈線的2個峰值平均值為27.8 μA，而單根線峰值為36 μA，相差8.2 μA.通過以上比較可知，在2根電暈線的相互抑制作用下，2電暈線中任一根電暈線產(chǎn)生的放電電場相對于單線放電時的放電電場是減弱的，且放電電場位置也向外偏移.

在上述實驗的基礎(chǔ)上，用MATLAB軟件對2根電暈線的空間放電電場進(jìn)行了模擬.相鄰的2線放電時帶有等量的同種電荷，空間電離出同符號電荷.根據(jù)有限元法可以將相鄰的2線看成等量同種電荷.在靜電學(xué)中，電勢U沿著某一Δn方向的大小為電勢梯度ΔU，電場強(qiáng)度E總是指向電勢減少的方向，即E與Δn方向相反，故E等于電勢梯度的負(fù)值：E=-ΔU[13].在電壓35 kV，h1=45 mm，γ=30°的位置上，得到2電場相互影響的截面，如圖7所示.其中，環(huán)狀實線為等勢線，箭頭表示該處電場的大小和方向.受同種電荷相互排斥的影響，2電場向外偏移，中間位置電勢急劇減弱，實驗結(jié)果與模擬吻合.分析實驗和模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2根電暈線同時放電時，電流分布范圍擴(kuò)大，即增大了分選物料的有效荷電區(qū)域，但它們的電場會相互抑制，在2峰值之間的電場會急劇減弱，破壞待分選物料的荷電過程，導(dǎo)致分選效率降低.為解決這一問題，在中間位置加入第3根電暈線進(jìn)行后續(xù)實驗.

2.3 3根電暈線對轉(zhuǎn)輥表面放電特性

選定h1為45 mm為固定距離，在L1和L2之間夾角γ分別為30°、45°、60°的基礎(chǔ)上，在2線中間的位置加第3根電暈線L3(與x軸呈45°，如圖1所示).改變中間電暈線與轉(zhuǎn)輥表面的間距h2分別為35，40，45 mm進(jìn)行放電，研究3根電暈線對轉(zhuǎn)輥表面的放電特性，如圖8所示，其中，γ分別為30°、45°、60°時，相對應(yīng)的α和β與2根電暈線放電時相同.

圖7 2電暈線模擬電場截面分布Fig.7 Electric field distribution of two corona wires cross-section

圖8 3根電暈線對轉(zhuǎn)輥表面放電特性Fig.8 Current discharged characterisitic three corona wires to roller suiface

圖8的a、b、c 3個圖中，兩外側(cè)峰值電流相距分別為13、14、20個銅條.由圖8可知，L1和L2的位置固定時，第3根線與轉(zhuǎn)輥表面間距h2越小，中間峰值電流越大.對峰值電流的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較，得到表1的結(jié)果.峰值電流的標(biāo)準(zhǔn)差越小，峰值電流差別越小，即電流覆蓋范圍內(nèi)的放電電流越平穩(wěn)，待分選物料荷電效果越好.

分析以上實驗結(jié)果，在γ=60°，h2=45 mm時，3個峰值電流的標(biāo)準(zhǔn)差最小，僅為0.713，平均峰值電流為21.167 μA，兩外側(cè)峰值電流相距20個銅條，轉(zhuǎn)輥表面電流覆蓋所有銅條位置.此時，電流分布范圍較大且峰值電流相差最小，電流分布相對均勻.此條件下，分選物料的有效荷電區(qū)域范圍較大且區(qū)域內(nèi)電場較強(qiáng)，使得分選物料荷電更充分.

表1 峰值電流標(biāo)準(zhǔn)差比較

通過MATLAB軟件模擬3根電暈線對空間放電情況，驗證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性.在35 kV電壓下，3根電暈線到轉(zhuǎn)輥間距均為45 mm，與水平x軸夾角分別為15°，45°，75°，得到電場分布的模擬圖，如圖9所示.中間電場與兩側(cè)電場都存在相互排斥作用，整體電場范圍擴(kuò)大，電場強(qiáng)度增強(qiáng).

圖9 3電暈線模擬電場截面分布Fig.9 Electric field distribution of three corona wires cross-section

3 結(jié)論

單根電暈線放電時，在其他條件一定時，電暈線直徑越小放電電流越大，電暈線與轉(zhuǎn)輥表面間距越小，峰值電流越高.轉(zhuǎn)輥表面的電流以電暈線正對角度為中心，整體呈正態(tài)分布，這一范圍是待分選物料的有效荷電區(qū)域.

2根電暈線放電時，在同等條件下，2根電暈線之間的電場互相抑制，在h1=45 mm，γ=30°時，其平均峰值電流小于單根放電時的峰值電流，單根峰值位置向外偏移了約3.6°，擴(kuò)大了待分選物料的荷電區(qū)域.

3根電暈線放電時，在γ=60°，h2=45 mm的位置，3個峰值電流的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.713，轉(zhuǎn)輥表面電流分布范圍覆蓋所有銅條位置，平均峰值電流達(dá)到21.167 μA.此時，待分選物料的有效荷電區(qū)域較大，總體電流較大且分布均勻，使得待分選物料荷電效果最好.

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(責(zé)任編輯：孟素蘭)

Analysis on discharge current characteristics of line-roller high-voltage electrostatic separator

ZHANG Jiaxi,SUN Bo,CUI Zhao,ZHU Junlu,ZHANG Zisheng

(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China )

In order to improve the efficiency of high-voltage electrostatic separation,the characteristics of discharge current on the roller surface were explored.The experimental device of high-voltage discharge was made.The influence of different location wires on discharge current on roller surface was studied.The results indicated that:under the same conditions,with the decrease of corona wire diameter,the discharge current became bigger.The current on the surface of roller was close to a normal state.When two corona lines were used to discharge,the spatial distribution of the current had larger range and higher intensity.When three corona lines were used to discharge,at one position,the current distribution measured was wider and relatively stable where the angle between two outer corona lines and the distance between the corona line and the surface of the roller were 60° and 45 mm respectively.In this case,the angle between two outboard peaks was about 72°.It is advantageous for the electric charge of the material to be sorted,as the efficiency of sorting is improved.The simulation provides a theoretical foundation for electrostatic separator design.

electrostatic separation;corona wire;current distribution

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.06.005

2016-03-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51077035)；河北省自然科學(xué)基金資助項目(A2013201266)

張嘉曦 (1991—)，女，河北唐山人，河北大學(xué)在讀碩士研究生.E-mail：qianqianyushou625@163.com

張子生(1964—)，男，河北保定人，河北大學(xué)教授，主要從事高電壓技術(shù)的應(yīng)用與大氣污染控制技術(shù)方面的研究.E-mail：zhangzisheng@hbu.edu.cn

TM835.1

A

1000-1565(2016)06-0589-07