大气中针板负电晕放电相对发光强度的研究

为了获得高强度等离子体以提高放电应用效率,对大气中针板负电晕放电进行了实验研究。通过针板负电晕放电实验得到了发光图像和发射光谱,研究了放电的相对发光强度。结果表明:相对发光强度在针电极方向上的分布分为3段即首先缓慢减弱,随后迅速减弱,最后又缓慢减弱;当电晕发光区不同取样点出现发光时,其相对发光强度随放电电压的加大而都表现出线性增强的趋势;电晕发光区内主要为N2的第二正带系N2(C3Πu→B3Πg)谱线的相对光谱强度;测量特征峰(其波长为337.1 nm)谱线的相对光谱强度随放电电压的加大而线性增强,与读取发光图像数据的结果相一致;并且随着放电功率的增加,相对光谱强度的增长逐渐平缓;放电电压加大,电子与气体粒子撞击时间随电子运动速度的加大而减小,激发到高能级的粒子布居数减少,故相对光谱强度与放电功率之比在28 kV处有极大值,即此时电源输出能量中用于发光的效率最大,随后又逐渐减小。     

大气压不同惰性气体介质阻挡放电特性的比较

为了加深对大气压惰性气体介质阻挡放电的认识,使用电特性测量、高速摄影,发射光谱等手段研究了平板结构大气压惰性气体介质阻挡放电的放电模式、演化过程以及放电机理,并对不同气体的放电特性进行了比较。实验结果表明在2～8mm大气压氦气、氖气中可很容易的实现稳定的均匀放电,并且其放电模式为辉光放电。对2mm气隙的高频大气压氩气介质阻挡放电研究的结果表明,氩气中不易实现覆盖整个电极的均匀放电,而随外加电压的增加,更容易出现自组织的斑图;当气隙距离>3mm时氩气放电为细丝状的流注放电,并且其放电通道中的电流密度可达7.5A/cm2。ICCD高速相机拍摄的时间分辨放电图像显示,大气压氦气、氖气以及氩气的均匀放电为汤森放电向辉光放电的演化过程。光谱诊断结果表明,惰性气体的高能亚稳态粒子与杂质分子的彭宁电离对放电的均匀性起着非常关键的作用。氦气放电等离子体中观察到了氮离子的第一负带系N2+(B2Σu+→X2Σg+);而在氖气和氩气中没有发现这个带系,观察到的是氮分子的第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线,这说明氖原子和氩原子的亚稳态能级太低不足以激发氮离子的第一负带系。     

大气压液体阴极等离子体中O原子和OH自由基的特性

为更好地理解液体阴极放电等离子体的性质,建立了一种基于液体阴极放电的大气压等离子体的发生装置。测量了200~900 nm光谱范围内的发射光谱,观察到了强度较高的波长为656.8 nm的Hα谱线、波长在309 nm附近的OH(A-X)谱带、在337 nm附近的N2(C-B)谱带,以及强度较弱的波长为777.2 nm和844.6 nm的O原子谱线。并对这些激发物种的激发过程进行了说明,分析了等离子体光谱中含氧活性粒子(OH和O)的空间分布,计算了放电空间中不同位置的电子激发温度。研究表明,含氧活性粒子数目在液体阴极和金属阳极附近均有1个峰值;单一O谱线的2个峰值强度和单一峰值的2条O谱线的谱线强度均呈现交替变化的现象;OH谱线的谱线强度远大于2条O谱线,2者最大值相差2个数量级;靠近阴极区区域的电子激发温度较低,而正柱区区域的电子激发温度较高。     

棒-板电极直流负电晕放电过程中重粒子特性的仿真研究

为研究电晕放电过程中的重粒子特性,基于流体动力学模型提出了一种改进的电晕放电混合模型,该模型包含空气放电过程中最主要的6类等离子体化学反应,以及光电离作用和二次电子发射过程。基于上述模型,对棒-板电极在6 kV电压下的负电晕放电过程进行仿真,得到负电晕放电的脉冲波形;并分析了电场强度、净空间电荷密度在单次脉冲过程中随着时间和空间的变化规律,重点讨论了重粒子的组成成分及其分布特性。结果表明,在所有粒子反应中,电子和N2分子发生碰撞电离的反应速率最大,但产生的N2+密度却远小于O4+和O2+。O2-离子是负离子中数量最多的粒子,对电晕放电过程起到抑制作用。O是除N2和O2外含量最高的中性粒子;由于中性粒子在电晕放电过程中的含量较小,因此起到的作用相对较小。     

基于可见光图像处理的双射流直流电弧等离子体放电稳定性分析

为保障等离子体设备安全运行,推动等离子体在材料加工领域的实际应用,指导等离子体发生器系统设计及优化运行,通过分析采集到的可见光图像与放电电压信号,提出了一种对双射流直流电弧等离子体的放电稳定性进行诊断的方法。基于双射流等离子体实验平台,采集随固定时间变化的可见光图像和放电电压;针对可见光图像,引入图像处理领域的8方向Freeman链码分析技术,从时域和频域2个方面定义了周长、面积、相关系数、幅度谱4个定量指标,并结合放电电压对等离子体电弧–射流区形状特征和稳定性进行定量分析。结果表明:周长和面积确定了电弧–射流区边界的几何尺寸,相关系数描述了电弧–射流区边界的形状差异,幅度谱分布则很好地反映了电弧–射流区边界形状的平滑性。     

SF_6气体中极不均匀场正流注放电机制及其瞬态产物的仿真研究

为研究SF6气体中由极不均匀场引发的流注放电的微观机制以及放电过程中的瞬态产物,基于玻尔兹曼漂移扩散方程和SF6电子碰撞反应截面数据,对SF6气体中的流注放电进行有限元数值仿真。仿真模拟了流注发展过程中外部电流的3个阶段性特征,得到了SF6气体各发展阶段的微观过程,包括流注发展中电子、离子及电荷的密度分布;结合理论分析,揭示了外施电势与流注放电通道内外的电场分布的关系,并指出若使流注向前发展,外施电势不但要克服流注通道反向电场,还要维持流注头部电场大于电离临界场强。另外,通过该仿真模型还获得了SF6气体中电离瞬态产物的成分及各自比例,F、F+、SF6vib+、SF5+、SF4++、SF4+、SF3+和SF6+为流注放电过程中的主要瞬态产物。     

静电除尘效率的影响因素研究

通过试验研究了影响静电除尘器捕集效率的因素,分析了微粒粒径、电场强度、气流流速、电离电压、电离电极洁净程度对捕集效率的影响规律。结果表明,静电除尘器中的微粒捕集效率随粒径的增大而提高;同样的带电微粒,随电场强度增大,其捕集效率增加;随着气流速度加大,捕集效率变小;随电离电压增大,微粒所带电荷增加,捕集效率亦增大;气流通过电离区时,会有极少的微粒被捕集到电离电极表面,微粒自身有一定的电阻率,导致放电电流下降,大多数微粒荷电减少,除尘器捕集效率降低。采用Deutsch模型估算试验中带电微粒的迁移速度,大约在几厘米每秒到20 cm/s。     

用超宽频带局部放电检测技术评定电机线棒老化状态的实验研究

在大型电机运行过程中 ,由于电、热、机械和环境应力的联合作用 ,其绝缘性能会逐渐下降。在实验室中通过多因子加速老化实验模拟了电机线棒在实际运行中的老化。对不同老化程度的线棒 ,使用超宽频带局部放电检测技术测试了试样的局部放电 ,并分析了放电信号在时域和频域随老化时间的变化情况。实验结果表明 ,随着试样线棒绝缘的不断劣化 ,放电脉冲时域波形的高频振荡不断加剧 ,脉冲宽度不断减小 ;同时 ,频域中的高频分量越来越丰富 ,谱峰逐渐增多 ,并且在高频段出现特征峰分布     

干湿两种烟气再循环方式下富氧燃烧循环流化床锅炉烟气辐射特性分析

在考虑谱线压力增宽效应的基础上,建立基于谱带通用无量纲吸收系数累积分布函数的辐射性气体宽带k累积分布模型,依据最新的气体辐射特性高分辨率光谱数据库,基于多项式对H2O和CO_2不同温度下的谱带特征参数计算式进行拟合;通过对H2O和CO_2混合气体中存在重叠的各谱带进行合并处理,建立适用于谱带通用无量纲吸收系数累积分布函数的各合并谱带等效谱带特征参数计算模型,可以直接对高浓度H2O和CO_2混合气体重叠谱带的谱带吸收系数进行计算。在此基础上,结合富氧燃烧循环流化床锅炉不同烟气再循环方式下烟气中H2O和CO_2动态计算模型,分析干、湿烟气再循环方式下烟气再循环过程、炉膛温度变化和氧气浓度变化对烟气辐射特性的影响。     

1100 kV直流SF_6气体绝缘穿墙套管电场仿真分析

国产1 100 kV直流SF_6气体绝缘穿墙套管首次采用双层内屏蔽结构。为此,提出了1种气体电流密度计算方法用于仿真直流电压下的套管电场分布,对工频和直流电压下分别采用单层和双层内屏蔽结构时的套管电场分布进行了仿真分析,探讨了双层内屏蔽结构的电场调控能力,仿真分析了气体电离对电场分布的影响。结果表明:直流电压下套管外部表面电场分布不受内屏蔽电极配置方式的影响,但双层屏蔽结构相对于单层屏蔽结构能够减小套管内部电极的表面场强;套管外部空气电离达到一定程度后将引发屏蔽环表面起始的闪络,内部SF_6气体电离达到一定程度后则更容易发生电离区附近的套管表面电晕放电。     

碰撞电离退陷阱化

介质中被陷阱束缚的电荷载流子,通常以热发射或场致发射方式摆脱陷阱束缚,实现退陷阱化。本文在理论分析和实验证明的基础上,发现陷阱中的电荷载流子,还可以由第三种方式——碰撞电离来实现退陷阱化。理论分析建立了碰撞电离退陷阱化模型,并通过与实验结果相结合,给出了碰撞电离退陷阱化系数。碰撞电离退陷阱化可以作为介质击穿的先导。运用碰撞电离退陷阱化理论,不仅可以解释许多实验现象,而且对于电气设备生产和运行维护也具有重要的实际意义。     

Numerical performance simulation of frozen helium plasma disk MHD generator

MHD electrical power generation with frozen helium plasma (FHP) is examined numerically. The FHP can be initiated by preionized helium without the alkali metal seed at the generator inlet. Since the three‐body recombination coefficient of helium ions is low at electron temperatures above 5000 K, the ionization degree can be kept almost constant in the entire region of the generator channel. The r?θ two‐dimensional numerical results show that the performance of the FHP MHD generator is comparable to that of the seeded plasma MHD generator, if the additional power consumed to preionization is ignored. In the FHP MHD generator, the ionization degree at the inlet should be controlled precisely, as well as the seed fraction in the seeded plasma MHD generator. Under an adequate inlet ionization degree for sustaining the FHP plasma, the plasma maintains the uniform structure. On the other hand, a slightly excess ionization degree causes a strong Lorentz force in the upstream region of the generator, deteriorating the generator performance. © 2002 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 140(3): 26–33, 2002; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10030     

Statistics of Avalanche Current Buildup Time in Single-Photon Avalanche Diodes

The effects of avalanche region width, ionization coefficient ratio, and dead space on the breakdown time and timing jitter of a single-photon avalanche diode are investigated. Using a random ionization path length model, the breakdown time and the timing jitter are shown to decrease with breakdown probability, but increase with avalanche region width, decreasing ionization coefficient ratio, and ionization dead space. The model is used to compare the dependence of avalanche timing performance in Si and InP on avalanche region width.     

大气压氦气冷等离子体射流放电一维数值模拟

为了明确大气压冷等离子体射流的形成机理,采用一维流体模型研究了针-板电极下大气压氦气冷等离子体射流中等离子体子弹的传播过程,得到并分析了等离子体子弹的空间结构。模拟结果表明,等离子体子弹实际上就是等离子体射流头部的电离区域,其传播过程即为该电离区域的推进过程。Penning电离可以为等离子体射流的传播提供种子电子。驱动电压的极性对等离子体射流的性质有着重要的影响,与正脉冲驱动等离子体射流不同,负脉冲驱动下的等离子体射流具有一个较窄的阴极位降区,且内部没有准中性区域。     

Thermionic arc breakdown in small discharge gaps: model andapplications

A model for thermionically induced breakdown is developed which predicts the voltage levels experienced in low-voltage discharges. Initially, electron emission across an active discharge minigap must be established. Prior to breakdown, emitted electrons populate the cathode space-charge region and the remaining gap is unionized. Breakdown criteria and a means for estimating the reduced breakdown voltage in the bulk gas are derived in terms of conventional Townsend ionization mechanisms, wherein multistep or cumulative ionization must be active. Since the cathode space-charge region is replete with emitted electrons, positive ions traversing it release to the bulk gas considerably more electrons than would be available with the conventional Townsend γ mechanism at the cathode surface. This equivalently higher γ significantly shifts the Paschen curve toward lower minima. One practical thermionic assisting device is a tungsten light-bulb-grade filament, which shunts the primary discharge electrodes and, within the filament's minigaps, breakdown occurs. Thermionic arc breakdown has been implemented in the starting of arc devices for lamps and in thermionic power converters; an application to ionization chambers in electrostatic thrusters is also discussed     

Fully Numerical Monte Carlo Simulator for Noncubic Symmetry Semiconductors

In this paper, we present the workings of a fully numerical Monte Carlo simulator that can be employed to study transport in materials with noncubic symmetry. All of the principal ingredients of the Monte Carlo model, i.e., the energy band structure, phonon scattering rates, and impact ionization transition rate are used in numerical form. Various considerations such as k-space mesh size, numerical integration convergence, etc. that impact numerical accuracy will be discussed. The workings of the simulator are illustrated using example calculations of the bulk transport properties of GaAs and GaN. The simulation of bulk GaAs in particular challenges the numerics since the low electron effective mass within the gamma valley requires a high degree of numerical refinement to correctly capture the dynamics in this region. We calculate the steady-state drift velocity, impact ionization coefficients, valley occupations, and average carrier energy in bulk GaAs and GaN.     

电晕放电对超高压输电线路工频电场的影响

超高压输电线周围电磁环境及其对人体的影响已成为人们普遍关心的问题之一。为此,在传统模拟电荷法计算工频电场强度的基础上,考虑到超高压输电线路在一定条件下产生电晕放电的实际现象,建立了一种基于此条件下工频电场计算的新模型。其中,利用高斯定理求解电场起晕时导线表面的电离电荷,将模拟电荷法引入到电晕放电产生的电离区内的电荷。最后根据用叠加原理得到电晕放电条件下超高压输电线产生的工频电场强度。通过对500kV超高压输电线路的仿真结果可知:由于电晕放电的影响,电场强度发生畸变且在时间上呈周期性分布,电晕放电对工频电场强度具有增强作用。220kV输电线路的仿真结果验证了该模型的合理性和正确性。     

接地网格的雷电冲击特性

系统地分析了发、变电站接地网格在雷电流作用下的冲击暂态特性 ,建立了基于分布的、时变电路参数的等效电路模型。该模型考虑了接地导体周围土壤电离引起的动态、非线性火花效应以及导体间互感的影响 ;详尽分析了不同接地装置的结构、雷电流波形以及雷电流注入点等因素对接地网格冲击特性的影响     

电力系统基频铁磁谐振谐波平衡分析

应用谐波平衡法分析了典型铁磁谐振电路基频谐振及其影响因素,确定了该电路的基频谐振区域。该法能较全面的分析非线性电路基频铁磁谐振,也能用于分频、倍频铁磁谐振分析。在电力系统设计时,可先用该法找出系统运行的安全区和谐振区,合理选择系统参数,使系统运行在安全区域内以抑制铁磁谐振。     

中性点接地系统基频谐振及其实验分析

铁磁谐振是电力系统中的常见现象,由铁磁谐振引起的过电压和过电流不但会降低电力系统的电能质量,而且会危及系统相关设备的安全运行。笔者应用谐波平衡法对中性点接地系统铁磁谐振电路基频谐振进行分析,找出了该电路的基频谐振区。理论分析和实验证明,该方法能为有效地抑制铁磁谐振提供理论依据,也是电力系统设计的有益参考。