【正文】 200 100 50 167。 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降姆烹姟Ｈ“霃綖? 1cm 的半球頭棒狀電極為正極，正極頂端與負極的距離為 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度也增強；然后突然出現(xiàn)一瞬間放電。碩士論文 23 流光的特點是強有力的，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為：起始流光、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 碩士論文 24 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： Vc：由無電暈轉(zhuǎn)變?yōu)槠鹗剂鞴狻?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到這種效果即把輝光放電轉(zhuǎn)化成為流光放電。 因為輝光生成是由于電負性氣體負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。然而電負性氣體離子形成屏蔽層需要一定的時間（約 ），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現(xiàn)的電暈放電模式如 圖 2－ 5所示?？梢钥闯觯灰谥绷鞯幕鶋荷席B加高頻交流就可以破壞輝光的形成，使得流光在一個很大的電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生，這對于工業(yè)上的應(yīng)用具有十分重要的意義。又因為大功率的交直流電源容易實現(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)化前景奠定了一個很好的基礎(chǔ)。 碩士論文 25 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 supply 167。 反應(yīng)器電極配置的實驗研究 實驗裝置 圖 為實驗裝置簡圖，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)。 高頻高壓交流電源反應(yīng)器L s高頻高壓直流電源C DP L AP 圖 試驗裝置簡圖 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，整個線框懸掛在板電極中問。板電極規(guī)格為 2m1m，線電極為 4mm 4mm 星形線，有效長度 1mm。 測量系統(tǒng) 碩士論文 26 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，在板電極和地之間接如圖 所示的反應(yīng)器電流測量電路。串聯(lián)電阻值為 10Ω，遠小于負載等效電阻，穩(wěn)壓二極 管為 15V，負載電流過大時對采樣電阻起保護作用，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，示波器實時帶寬 100MHz，輸入阻抗1MΩ，取樣速率為 ，電容約為8pF。因線板放電間隙靜態(tài)時可看作容性負載，其靜態(tài)電容為幾百個 pf。實驗中可忽略測量儀器的影響。 圖 反應(yīng)器電流測量電路 Figure29 Measure circuit of reactor current 實驗結(jié)果及分析 Peek 發(fā)現(xiàn)電暈起始的電場強度與放電極的半徑及空氣密度有關(guān)。Peek 從實驗中得到了很好的經(jīng)驗公式： 1 / 20( ) 1 / ( )rsE E m K r???????? () 式中 (Er)s 為閾值場， E0=31Kv/m（此值相當(dāng)于標準狀態(tài)下空氣中放電間隙為 1cm 時的均勻場中的火花場強）， m 是一個描述導(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，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 點處的電場強度 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。這個關(guān)系式為 : CRD碩士論文 27 /x VE v mrF? () 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： 4 c o s h ( / 2 ) 1ln c o s h ( / 2 ) 1nkbkF rk ??? ? ? ??? ?? () 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。直流供電方式下測得的電壓電流波形參數(shù)見表 。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。 上述的實驗測量結(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。 表 不同板電極距離波形參數(shù)對比 2b/mm VDMAX/KV PDMAX/KW Vs/KV Pa/W/m3 CR/nF 200 56 239 45 1017 240 68 250 884 280 82 291 49 884 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：碩士論文 28 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、電流測量參數(shù)數(shù)據(jù)見表 。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。 表 不同放電鄰距下脈沖電壓波形的參數(shù) d/mm VDMAX/KV PDMAX/KW Vs/KV Pa/W/m3 CR/nF 60 248 39 1064 100 56 274 40 1167 160 56 239 41 1017 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，可以獲得更大的注入功率。 討論 通過上述的實驗和分析，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，流經(jīng)放電間隙的煙氣接近于常壓，因而此時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，很容易得到非均勻碩士論文 29 場中閾值電壓同間隙長度的關(guān)系： 4( ) lns r s dV E r r?? （ ） 式中 r 為放電極半徑， (Er)s 為閾值場強，用（ ）式計算。對于線板電極配置形式，可以認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，電壓峰值超過個將導(dǎo)致間隙的火花放電擊穿。 放電極的相互鄰距，這個變數(shù)對流光放電的電暈電流的影響比較大。可以設(shè)想兩種極端的情況：第一，假設(shè)在一個很長的氣體通道內(nèi)只有一根單獨的電暈線；第二，假定有許多電暈線并列在一起，實際上己成為一個連續(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。 本實驗中，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，注入能量又降得很低。電暈線的鄰距顯然存在有一個最佳值，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。 碩士論文 30 167。 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行詳細的分析和論述。 ～三相全控整流單相全橋逆變高頻升壓～高壓硅堆整流高頻升壓單相全橋逆變?nèi)嗳卣鱈C濾波電路LC濾波電路反應(yīng)器L sC DP L APLAR L DR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。對交流碩士論文 31 電源來講至少是諧振升壓時的 10 倍以上，當(dāng)副邊反應(yīng)器放電出現(xiàn)短路時，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)諧振電感同時還可以在負載短路時，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。 交流電源的工作原理分析 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。 T AC pfL pf3～L ARZ 1D 1Z 2D 1D 3 D 4Z 3 Z 4C DPL SC L R tD bS 1 S 2 S 3S 4 S 5 S 6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碩士論文 32 的等效集中電阻。負載作為電容等效串聯(lián)在諧振電路中，可以看成時串聯(lián)負載串聯(lián)諧振電路。這和直流 電源的并聯(lián)負載串聯(lián)諧振的工作方式是不同的，將在下一節(jié)中進行分析和論述。 T AV DCL ARZ 1D 1Z 2D 1D 3 D 4Z 3 Z 4C DP L SC L 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 Lrc o s ( ω t )CrRUR( t ) UL( t )UC( t )i ( t ) 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)=cosω t， 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)為變量的三個微分方程為： 碩士論文 33 ttiCdt tdiRdt tidL ?? s in)(1)()(22 ???? （ 31） ttUdt tdURCdt tUdLC CCC ?co s)()()(22 ??? （ 32） ttULCdt tdULRdt tUd LLL ?? co s)(1)()( 222 ???? （ 33） 由二階常微分方程求解的規(guī)律可知三個微分方程的通解形式均為： )()()( tftftf ph ?