【文章內(nèi)容簡介】 以維持流光放電時(shí)，反應(yīng)器恢復(fù)至最初的狀態(tài)。圖2－2 反應(yīng)器等效電路Figure22 Equivalent circuit of the reactor167。：所有電極放置在線框上，線框懸掛在兩塊板電極之間。線板電極結(jié)構(gòu)靜態(tài)時(shí)（即不放電時(shí)）可等效成電容，放電時(shí)可等效成靜態(tài)電容同非線性電阻并聯(lián)的模型。 線板放電極結(jié)構(gòu)俯視圖Figure23 The figure of lineplane reactor planform 連續(xù)鏡像法線板放電極結(jié)構(gòu)圖Figure24 The figure of lineplane reactor by the method of series enantiomorphy設(shè)放電極上的電荷為＋q，采用連續(xù)鏡像法。忽略邊緣效應(yīng)，由于對稱性，只計(jì)算下半部的情況，并選擇中間的一根放電極為1號導(dǎo)體，則1號導(dǎo)體同地之間的電位差為： ()上式中l(wèi)為放電極長度，k為1號放電極右側(cè)的放電極根樹，中括號前面的系數(shù)2是加上了1號放電極左側(cè)放電極的作用。上式可簡寫為： ()因所有放電極都放置在線框上，每根放電極具有相同的電位，帶電荷量相同，固有： ()式中C10為每根放電極的對地電容，如果忽略邊緣效應(yīng)，并且假設(shè)放電極的根數(shù)足夠多，則每根放電極的對地電容相同。總電容為： ()式中（2k＋1）表示放電極的總根數(shù)，這樣給出放電半徑r，板電極距離2h，放電極之間距離b，放電極長度l和放電極的根數(shù)，即可計(jì)算出放電間隙的靜態(tài)電容。2h＝200mm，r＝1mm，l＝1mm，改變放電極相鄰距離。（電容的測量采用LCR數(shù)字表）結(jié)果符合的很好。 總電容的測量值和計(jì)算值對比b(mm)C的測量值（nF）C的計(jì)算值（nF）20010050167。2. 3 不同供電方式的電暈放電模式2. 直流供電的電暈放電模式可以用直流供電發(fā)生流光電暈?zāi)Ｊ降姆烹?。取半徑?1cm的半球頭棒狀電極為正極，正極頂端與負(fù)極的距離為d。正極加直流高壓。圖25示出可能的各種放電模式。例如d=25cm，當(dāng)電壓從零逐漸升高，線電極有一瞬變分枝的線，流光的發(fā)生是脈沖式的，如圖所示。如果電壓繼續(xù)升高，流光的產(chǎn)生越來頻繁，一直到瞬變活動停止而趨于自持。這時(shí)陽極表面附近出現(xiàn)一穩(wěn)定的薄的輝光層。這階段的電流雖然是連續(xù)的，但有漲落，繼續(xù)提高電壓，電流上升，發(fā)亮的輝光的尺寸及強(qiáng)度也增強(qiáng)；然后突然出現(xiàn)一瞬間放電。流光的特點(diǎn)是強(qiáng)有力的，流光很亮，并且伴有清晰的“咝咝”的響聲，靠近陽極的地方產(chǎn)生一輝光層，再升高電壓，最后有電火花產(chǎn)生，引起間隙全部擊穿。圖25 正電暈不同模式的閾（A起始流光B輝光C預(yù)擊穿電壓D火花）Figure25 the area of the different model positive corona在直流供電的情況下，氣體放電類型的順序隨著電壓的升高變化的順序?yàn)椋浩鹗剂鞴?、輝光、預(yù)擊穿流光、電火花。如圖26所示：圖2－6 直流供電模式下四種放電模式的示意圖Figure26 Four kinds of discharging modes at the DC power supply上圖為直流供電模式下，四種放電模式的示意圖。（a）為初始流光，（b）為輝光，（c）為預(yù)擊穿流光，（d）電火花。2. 交直流疊加供電的電暈放電模式從上述直流正電暈放電模式的分布可見，在適當(dāng)電極結(jié)構(gòu)和電極間隙夠大的條件下，隨著電壓從零升高，放電模式轉(zhuǎn)變的閾值有四個(gè)：Vc：由無電暈轉(zhuǎn)變?yōu)槠鹗剂鞴?。Vg：由起始流光轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電。Vps：由輝光放電轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)擊穿流光。Vs：由預(yù)擊穿流光轉(zhuǎn)變?yōu)榛鸹ǚ烹?。它們大小比較情況為：VcVgVpsVs.在工業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)避免輝光電暈的出現(xiàn)，使這個(gè)放電區(qū)域均為流光電暈區(qū)，這樣既可以節(jié)約放電能量的消耗，也可以適合工業(yè)上大功率產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。研究表明，在直流電源的基礎(chǔ)上疊加一定的交流可以達(dá)到這種效果即把輝光放電轉(zhuǎn)化成為流光放電。因?yàn)檩x光生成是由于電負(fù)性氣體負(fù)離子包圍正極尖端表附近，在電壓不很高的條件下，屏蔽了正電場，阻塞了正流光向外延伸。然而電負(fù)性氣體離子形成屏蔽層需要一定的時(shí)間（），因此，如果AC頻率大于10KHz，在輝光生成之前，電壓又回升到預(yù)擊穿流光區(qū)域，故放電仍保持為預(yù)擊穿流光電暈。采用交直流疊加的供電方式可以實(shí)現(xiàn)的電暈放電模式如圖2－5所示?？梢钥闯?，只要在直流的基壓上疊加高頻交流就可以破壞輝光的形成，使得流光在一個(gè)很大的電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生，這對于工業(yè)上的應(yīng)用具有十分重要的意義。又因?yàn)榇蠊β实慕恢绷麟娫慈菀讓?shí)現(xiàn)，成本相對更加低廉，這就為流光放電等離子體煙氣脫硫今后的工業(yè)化前景奠定了一個(gè)很好的基礎(chǔ)。 圖2－7 交直流供電方式下的電暈放電模式Figure27 Discharging modes at the AC+CDC power supply167。，圖中隔直電容C、隔交電感L防短路電感L2共同組成LC匹配網(wǎng)絡(luò)。通過此匹配網(wǎng)絡(luò)，交、直流電源疊加在反應(yīng)器上。交流峰值電壓、直流基壓值可以分別調(diào)節(jié)。 試驗(yàn)裝置簡圖 Diagram of experiment devices線板放電間隙的板電極有兩塊，并分別接地。線電極放置在線框上，線電極鄰距可調(diào)整，整個(gè)線框懸掛在板電極中問。板電極規(guī)格為2m1m，線電極為4mm4mm星形線，有效長度1mm。輸出電壓采用FRG無局部放電電阻分壓器測量，分壓比為1000：1，阻抗為80MΩ，電容6pF。交、直流電壓由線框上邊的一端接入線電極。串聯(lián)電阻值為10Ω，遠(yuǎn)小于負(fù)載等效電阻，穩(wěn)壓二極管為15V，負(fù)載電流過大時(shí)對采樣電阻起保護(hù)作用，通過檢測電阻R上的波形和幅值就可以得出電暈電流的波形和幅值。輸出到示波器上。高壓分壓器和采樣電阻的輸出信號由Tektonix TDS3014數(shù)字存儲示波器監(jiān)測，示波器實(shí)時(shí)帶寬100MHz，輸入阻抗1MΩ，電容約為8pF。因線板放電間隙靜態(tài)時(shí)可看作容性負(fù)載，其靜態(tài)電容為幾百個(gè)pf。實(shí)驗(yàn)中可忽略測量儀器的影響。 反應(yīng)器電流測量電路Figure29 Measure circuit of reactor current 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 Peek發(fā)現(xiàn)電暈起始的電場強(qiáng)度與放電極的半徑及空氣密度有關(guān)。Peek從實(shí)驗(yàn)中得到了很好的經(jīng)驗(yàn)公式： ()式中(Er)s為閾值場，E0=31Kv/m（此值相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣中放電間隙為1cm時(shí)的均勻場中的火花場強(qiáng)），m是一個(gè)描述導(dǎo)體表面狀態(tài)的系數(shù)（m1），δ為空氣的相對密度：δ＝103＋P/(273+T)（P是以Pa為單位，當(dāng)P＝101325Pa，T＝25℃時(shí)，δ＝l），k＝102m1/2，r是放電極的半徑。放電的閾值條件由式()所定義，如果能寫出放電間隙中某x點(diǎn)處的電場強(qiáng)度Ex與外加電壓V的函數(shù)關(guān)系，就可以很容易決定閾值電壓Vs。這個(gè)關(guān)系式為: ()式中 F是形狀因子。 Bohm給出了線板結(jié)構(gòu)放電間隙的形狀因子： ()式中a為放電極半徑（即r）。線板電極距離為b，放電極鄰距為d，則式中σ＝d/ b，k＝n表示放電極數(shù)。于是閾值電壓或者叫做起暈電壓為：Vs＝(Er)s rF ()從上述的分析中可以看出流光電暈放電的強(qiáng)度取決于交、直流電壓的大小以及電極的配置形式，即電暈線半徑、電暈線與板電極的距離和電暈線之間的距離。還有另外一個(gè)因素是被處理氣體的性質(zhì)和密度，將在第五章討論。一 板電極距離對電暈放電的影響200mm、240mm、280mm三種板電極距離，線距為160mm，限電級數(shù)為3條。據(jù)此可見，板電極距離加寬，可加的直流電壓升高，注入功率增加，但是單位體積的注入功率并沒有增加，反應(yīng)器電容減小。上述的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，兩塊平板之間的距離增加，放電間隙的擊穿電壓隨之提高。板電極距離決定交直流疊加電壓峰值。 不同板電極距離波形參數(shù)對比2b/mmVDMAX/KVPDMAX/KWVs/KVPa/W/m3CR/nF20056239451017240682508842808229149884其中b：線板電極距離、VDMAX：直流供電下產(chǎn)生火花放電的電壓、PDMAX：直流供電下最大的注入功率、Vs：起暈電壓、Pa單位體積功率密度、CR：反應(yīng)器電容二 放電極鄰距改變對電暈放電的影響板間距200mm，放電極數(shù)3條。相同的交、直流電壓條件下放電極鄰距為：60、100、160條件下測得的電壓、。表中CR為測量值，不包括分壓器和示波器的電容（分別為6pF），忽略測量系統(tǒng)的影響；d為放電極鄰距。 不同放電鄰距下脈沖電壓波形的參數(shù)d/mmVDMAX/KVPDMAX/KWVs/KVPa/W/m3CR/nF602483910641005627440116716056239411017可見放電極之間的距離增加，火花放電電壓基本相同，但是當(dāng)線電極之間距離與線板之間距離接近時(shí)，可以獲得更大的注入功率。 討論通過上述的實(shí)驗(yàn)和分析，可以得到的結(jié)論是：反應(yīng)器的電暈放電特性取決干電極配置形式和交、直流電壓?？赏ㄟ^調(diào)整電極配置形式和交、直流電壓的值，使電暈放電波形得到改善，最終的目的是使能量有效地傳遞給中性氣體。 板電極距離增加，間隙的閾值電壓升高，脈沖電壓上升率提高。根據(jù)署名的巴申（Paschen）定律，閾值電壓Vs是氣體壓力和間隙長度乘積（pb）的函數(shù)Vs＝F（pb） ()上式中b為線板電極之問的距離。脈沖電暈處理煙氣時(shí)，流經(jīng)放電間隙的煙氣接近于常壓，因而此時(shí)擊穿電壓就只是間隙長度的函數(shù)。根據(jù)公式（）和（），并且忽略（）式中的第二項(xiàng)，很容易得到非均勻場中閾值電壓同間隙長度的關(guān)系： （）式中r為放電極半徑，(Er)s為閾值場強(qiáng)，用（）式計(jì)算。對于線板電極配置形式，可以認(rèn)為正極性火花放電擊穿的電壓為： Vg＝5b[kV] （）式中b的單位是cm。Vg要比起暈電壓Vs高，在這兩個(gè)電壓之間產(chǎn)生電暈放電。如果在放電極上加交直流電壓，電壓峰值超過個(gè)將導(dǎo)致間隙的火花放電擊穿。放電極的相互鄰距，這個(gè)變數(shù)對流光放電的電暈電流的影響比較大?？梢栽O(shè)想兩種極端的情況：第一，假設(shè)在一個(gè)很長的氣體通道內(nèi)只有一根單獨(dú)的電暈線；第二，假定有許多電暈線并列在一起，實(shí)際上己成為一個(gè)連續(xù)的板式電極。在這兩種極端情況之外，電暈線的相互鄰距可以有多種選擇。本實(shí)驗(yàn)中，板間距固定，增大電暈線鄰距，注入能量增加。當(dāng)電暈線鄰距很近時(shí)，注入能量又降得很低。電暈線的鄰距顯然存在有一個(gè)最佳值，它對于給定的氣體通道來說，能夠產(chǎn)生最大的電暈電流，對于流光放電電暈，表現(xiàn)為注入功率最大。 167。3交直流疊加電源的工作原理167。 概述該脫硫電源采用高頻高壓的交直流疊加的方式，電源主要由高壓直流電路、高頻高壓交流電路和交直流耦合疊加回路三部分電路構(gòu)成。交直流兩部分電路均采用諧振的工作方式。在電路結(jié)構(gòu)上，直流電源相對于交流電源來說，在高壓變壓器的輸出端增加了高頻高壓硅堆整流電路，但在電路的工作原理上，二者卻有著很大的不同。下面分別就三部分電路的工作原理進(jìn)行詳細(xì)的分析和論述。圖3－1交直流疊加電源主電路結(jié)構(gòu)框圖Figure31 Figure diagram of the AC+DC supply main electrical circuit該電源采用高頻電能變換技術(shù)，首先將380V的三相工頻交流電經(jīng)由晶閘管組成的三相全橋可控整流電路，并通過由支撐電容和濾波電抗器組成的LC濾波電路變成平直的直流；然后通過由IPM組成的高頻單相橋式逆變電路逆變成高頻交流，串聯(lián)電感后經(jīng)過變壓器進(jìn)行升壓得到高頻高壓交流電源。高頻高壓交流電源經(jīng)過高壓硅堆整流得到高壓直流電源，高頻高壓交流電源和高壓直流電源經(jīng)過疊加電路加載在反應(yīng)器兩端。交流電源電路采用串聯(lián)諧振的工作方式。如果直接利用變壓器直接升壓達(dá)到流光放電所需要的電壓，這樣變壓器的匝比將會很高。對交流電源來講至少是諧振升壓時(shí)的10倍以上，當(dāng)副邊反應(yīng)器放電出現(xiàn)短路時(shí)，原邊電路的電流將會很大，很容易對開關(guān)管造成破壞，電路的可靠性將會大大降低。串聯(lián)諧振電感同時(shí)還可以在負(fù)載短路時(shí)，起到限制原邊短路電流大小的功能，可以大大提高電路工作的可靠性。167。 交流電源的主電路結(jié)構(gòu) 交流電源主電路原理如圖32所示，主電路中，整流電路采用三相全控橋式晶閘管整流電路，逆變電路采用單相高頻逆變電路。圖中LPF、CPF組成原邊直流環(huán)節(jié)的濾波和支撐電路。LAR為原邊串聯(lián)諧振電感，TA為高頻變壓器，CDP為高壓耦合電容，LS為抗電路短路電感，CL和Rt的并聯(lián)電路為反應(yīng)器的等效電路模型。圖32 交流電源主電路原理圖Figure32 Schematic diagram of the AC power supply main electrical circuit該電路的重點(diǎn)在電路的逆變和串聯(lián)諧振部分，如圖33所示，電路中的變壓器的作用為電壓變換和隔離，所以該部分可以等效為以正弦交流電源為激勵的RLC串聯(lián)諧振電路，如圖34所示，圖中忽略了反應(yīng)器等效電阻。等效電路中的Cr為電路中所有電容折算后的等效電容，Lr為電路中所有電感折算后的等效電感，R為電路中所有線路電阻和回路電阻的等效集中電阻。負(fù)載作為電容等效串聯(lián)在諧振電路中，可以看成時(shí)串聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振電路。這和直流電源的并聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振的工作方式是不同的，將在下一節(jié)中進(jìn)行分析和論述。圖3－3 交流電源串聯(lián)諧振電路圖Figure33 Series resonant circuit schematic diagram of the AC power supply圖3－4 等效RLC串聯(lián)電路圖Figure34 Schematic diagram of RLC series circuit RLC串聯(lián)諧振電路的原理分析RLC串聯(lián)諧振電路如圖34所示，外加激勵電壓信號設(shè)為U(t)=cosωt，在圖示的參考方向下，根據(jù)KVL可得　UR(t)+ UL(t)+ UC(t)= U(t)。根據(jù)電阻、電容和電感三個(gè)元件的伏安關(guān)系及上式電壓方程可得以i(t)、UC(t)、UL(t)為變量的三個(gè)微分方程為：（31）（32）（33）由二階常微分方程求解的規(guī)律可知三個(gè)微分方程的通解形式均為：（34）式中是對應(yīng)齊次微分方程的通解，是電路中的暫態(tài)響應(yīng)。KK2是由初始條件確定的待定系數(shù)；SS2是特征方程的特征根。其數(shù)值均為：（35）式中是二階常微分方程的特解，是電路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。A、B是待定系數(shù)。由三個(gè)微分方程的通解形式可知，當(dāng)電路中的電阻R不為零且電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，,電路中的響應(yīng)i(t)、UC(t)、UL(t)等于穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。即（36）（37）（38）將i(t)、UC(t)、UL(t)三個(gè)響應(yīng)表達(dá)式分別代入各自的微分方程中,可求得相應(yīng)的待定系數(shù)Ai、Bi、AUC、BUC、AUL、BUL為:（39）（310）（311）（312）（313）（314）根據(jù)這些表達(dá)式可求得三個(gè)響應(yīng)信號合成余弦信號的振幅和初相位分別為:（315） （316）（317） （318）（319） （320）式中是電路的固有頻率。響應(yīng)信號的諧振條件及其分析：從上面分析的結(jié)果可知，RLC串聯(lián)諧振電路在外加余弦信號作用下，電路中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)i(t)、UC(t)、UL(t)仍是同頻率的余弦量，只是響應(yīng)信號的振幅和相位發(fā)生了不同的變化。振幅和初相位都是輸入信號頻率的函數(shù)。它們隨輸入信號頻率ω的變化曲線如圖35所示。根據(jù)響應(yīng)信號振幅和初相位表達(dá)式及圖所示的曲線，可得RLC串聯(lián)諧振電路中的響應(yīng)信號i(t)、UC(t)、UC(t)的諧振條件及其諧振特性為：(1) 回路電流i(t)的最大值發(fā)生在ω=ω0處，這說明RLC串聯(lián)諧振電路當(dāng)外加激勵信號的頻率等于電路的固有頻率時(shí)，回路電流發(fā)生串聯(lián)諧振。此時(shí)電流的相位與外加激勵信號相同，而這時(shí)電壓UC(t)和UL(t)并沒有達(dá)到最大值。即RLC串聯(lián)電路中回路電流、電容電壓和電感電壓的諧振頻率是不相同的。圖3－5 振幅和角頻率之間的關(guān)系曲線Figure35 Dependence of the amplitude and the angle frequency(2) 電路中電容電壓UC(t)的最大值發(fā)生在ωc處，從圖中可以看出ωcω0，（321）因此，電容電壓的諧振頻率不僅于電路電感和電容的數(shù)值有關(guān)