沿面型介质阻挡放电的电气特性

率成正比。
关键词： 沿面型介质阻挡放电； 放电特性； 等效电路； Lissajous 图形； 虚拟电极； 放电功率
中图分类号： TM8； O59
文献标识码： A
文章编号： 1003-3076（ 2012） 01-0026-04
引言
介 质 阻 挡 放 电 （ Dielectric Barrier Discharge， DBD） 又称无声放电，能够在常压下产生具有高能量 的非平衡等离子 体，目 前 已 在 臭 氧 合 成、平 面 显 示、 环境保护、医疗灭 菌、材 料 表 面 改 性、气 流 控 制 等 领 域 获 得 了 广 泛 研 究 和 应 用［1 -4］ 。
2 沿面型 DBD 的等效电路
DBD 过程伴 随 着 介 质 板 表 面 电 荷 的 不 断 积 聚 与释放，积聚电荷处 的 介 质 板 表 面 可 以 等 效 为 一 虚 拟电极，沿面型 DBD 放电过程中等效参数如图 2 所 示，放电的等效电路如图 3 所示。
质板厚度、介质相对 介 电 常 数 和 等 离 子 体 在 介 质 表 面覆盖的 面 积 等 决 定，会 随 着 放 电 的 强 弱 而 改 变， Cg1 为放电气隙的等 效 电 容，Rg1 为 放 电 的 等 效 电 阻， 其值均会受放电 强 弱 的 影 响。放 电 维 持 电 压 Up1 是 一个重要的电学参 量，它 的 大 小 直 接 与 放 电 的 功 率 有关，将 Up1 定义为 一 个 平 均 放 电 电 压，其 值 取 决 于 放 电 气 体 成 分 、间 隙 中 的 粒 子 浓 度 以 及 间 隙 宽 度 ，在 放 电 作 用 的 周 期 内 是 一 个 常 量［11］ 。
DBD 中采用高频交流电源供电，在电源的下半 个 周 期 正 面 、背 面 电 极 极 性 反 转 ，整 个 放 电 过 程 可 以 不断持续下去。放电过程中在介质板表面积聚的电 荷，形成了一个除正 面 电 极 和 背 面 电 极 之 外 的 虚 拟 电极，对放电 的 进 行 产 生 影 响，基 于 此 本 文 对 DBD 电 路 参 数 进 行 等 效 ，建 立 了 放 电 的 电 路 模 型 。
sajous 图形计算的放电功率比较，具有 较 好 的 吻 合。 讨 论 了 外 加 电 压、频 率 对 放 电 特 性 的 影 响： 外
加频率相同时，随着外加电压的增加，每半周期内传输的放电电荷 不 断 增 大，且 其 变 化 趋 势 与 功 率
增长趋势基本一致，呈非线性增加，同时放电面积增大，功率增 加； 外 加 电 压 一 定 时，放 电 功 率 与 频
测量电容 CM 值 可 计 算 C1 值，同 理 当 放 电 进 行 时，
电路中 S1 、S2 闭合，
I
=
C1
dU dt
+
C d1
d（
U
－ Up1 ） dt
+
C d2
d（
U
－ Up2 ） dt
（ 3）
本 实 验 中 正 面 、背 面 电 极 结 构 相 似 ，背 面 电 极 未
封 装 ，放 电 作 用 的 周 期 内 正 面 、背 面 电 极 附 近 等 离 子
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且电子在运动中不 断 与 气 体 分 子 发 生 碰 撞，使 之 电 离而产生大量新的 电 子，这 些 电 子 受 到 垂 直 方 向 的 电场力作用撞击介 质 板 并 且 在 介 质 表 面 积 聚，其 与 放电空间的正电荷 共 同 作 用，产 生 了 一 个 与 外 加 电 场方向相反的附加 电 场，随 着 介 质 上 积 聚 电 荷 的 增 加，附加电 场 的 作 用 也 在 增 强，气 隙 间 总 的 场 强 下 降 ，当 气 隙 间 场 强 下 降 到 小 于 气 体 的 击 穿 场 强 时 ，放 电中断。
图形中读取出此时对应外加电压值 U0 ，可计算放电
维持电压 Up，
( ) Up
= U0
1+
C1
C d1 + C d2
（ 7）
电容 C1 在放电阶段传输电荷为
ΔQc1 = C1 （ U2 － U1 ）
（ 8）
其 中 U1 、U2 分 别 为 放 电 起 始 电 压 和 熄 灭 电 压
（ 近似为外加电压峰值） 。放电时气隙两端的传输
图 4 沿面型 DBD 的测量图形 Fig． 4 Measurement results of surface DBD
放电过程中等离子体的熄灭，可用图 3 中 S1 、S2 断开表示，此时电路中 C1 与测 量 电 容 CM 串 联。 CM = 0. 47μF，与 等 离 子 体 发 生 器 计 算 电 容 值 （ nF、pF
图 2 沿面型 DBD 等效参数 Fig． 2 Equivalent parameters in surface DBD
图 3 沿面型 DBD 等效电路示意图 Fig． 3 Equivalent circuit of surface DBD
等效 电 路 中 C1 为 正 面、背 面 电 极 间 的 等 效 电 容，C1 = εS / d，其值由 电 极 结 构 决 定，与 是 否 放 电 无关。若 DBD 背面电极不封装，两电极附近均会产 生等离子体，开 关 S1 、S2 所 在 支 路 分 别 代 表 了 正 面 电极和背面电极放 电 空 间 的 等 效 电 路，开 关 的 闭 合 与断开分别代表了两电极附近放电点燃与 熄灭。 Cd1 为虚拟电极与背面电极 间 的 等 效 电 容，其 值 由 介
电荷为总传输电荷与 C1 在放电阶段传输电荷之差，
ΔQg = ΔQ － ΔQC1
（ 9）
则可以计算放电功率 Pe
Pe = 2fUpΔQg
（ 10）
3 实验结果与分析
图 5 模型计算功率与 Lissajous 法功率比较 Fig． 5 Comparison of computed power between
实验使用高频 交 流 供 电，正 面 电 极 与 背 面 电 极 结 构 相 似 ，两 电 极 附 近 产 生 等 离 子 体 机 理 相 同 ，背 面 电极等效参数（ S2 所在支路） 代表意义与正面电极 等 效 参 数 意 义 也 相 同［12］ 。
图 4 为外加电压峰峰 值 Upp = 9. 76kV，频 率 f = 9kHz 时的放电图形，图（ a） 示 出 电 源 电 压 U 和 测 量 电容 CM 两端电 压 UM ； 图 （ b） 为 测 量 的 Lissajous 图 形，该 图 形 为 平 行 四 边 形，A-D、B-C 段 对 应 放 电 阶 段，A-B、C-D 段对应放电熄灭阶段。
图 1 沿面型 DBD 结构示意图 Fig． 1 Structure of surface DBD
从放电机理来看，沿面型 DBD 是通过介质的阻 挡来限制两电极间 电 流 的 自 由 增 长，阻 止 电 极 间 火 花 或 弧 光 的 形 成 ，属 于 高 气 压 下 的 非 热 平 衡 放 电 ，在 正面和背面电极附近均会产生相似的放电空间。以 正 面 电 极 为 例 ，当 正 面 电 极 为 阴 极 时 ，正 离 子 向 电 极 移 动 ，负 离 子 和 电 子 在 外 电 场 作 用 下 向 阳 极 移 动 ，并
较常见 DBD 结构有两种： 一是体放电，放电发生 在平行板电极或同轴圆筒电极之间的空间； 二是沿面 放电，线状或者 梳 状 电 极 分 布 在 介 质 板 的 两 侧，放 电 在 电 极 附 近 紧 贴 介 质 表 面 的 空 间 进 行［5 -7］ 。 目 前 平 行 板 DBD 在电气特性及工业应用等方面都得到了广泛 研究［8，9］，而 沿 面 型 DBD 的 研 究 报 道 相 对 较 少［5-7］。 沿面型 DBD 可以用于常压下的气流控制，可以在不 需要机械活动部件的情况下将电能转化为空气动能， 避免了传 统 机 械 控 制 设 备 结 构 复 杂，产 生 噪 声 和 振 动，易磨损，易 故 障 等 缺 点，在 飞 机 起 降 、风 力 发 电 等 空 气 动 力 学 领 域 具 有 广 泛 的 发 展 前 景［10］ 。 因 此 研 究 沿面型 DBD 具有重要的应用价值。
摘要： 沿面型介质阻挡放电在气流控制等方面具有十分广阔的应用前景。本文对其放电机理进行
了 分 析 ，指 出 放 电 过 程 中 在 介 质 板 表 面 积 聚 的 电 荷 处 会 形 成 一 虚 拟 电 极 ，与 放 电 空 间 其 他 电 荷 共 同
作用，对放电过程产生影响。基于此，建立放电的等效模型，推导了放电功率的计算公式，并与 Lis-
在 等 效 电 路 中 ，放 电 过 程 中 传 输 的 总 电 荷
Q = C1 U + （ Cd1 + Cd2 ） （ U － Up ）
（ 6）
由 于 放 电 在 正 、负 周 期 内 是 对 称 的 ，每 半 个 周 期
内放电阶段传输总电荷 ΔQ 可以通过 Lissajous 图形
纵坐标读 取 计 算。 上 式 中 当 Q = 0 时，从 Lissajous
级） 相比极大，对电 路 电 流 影 响 很 小，可 以 忽 略 其 两
端的电压值，认为加 在 等 离 子 体 发 生 器 两 端 的 电 压
值仍为电源电压值 U。则电路中电流
I
=
C1
dU dt
=
CM
dUM dt
（ 1）
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电工电能新技术
第 31 卷
C1
=
CM
dUM dU
（ 2）
即 Lissajous 图 形 中 A-B 或 C-D 段 的 斜 率 乘 以
体 放 电 维 持 电 压 恒 定 且 相 等 ，即
Up1 = Up2 = Up = Const
（ 4）
C1
+ C d1
ห้องสมุดไป่ตู้
+ C d2
=
CM
dUM dU
（ 5）
C1 + Cd1 + Cd2 值 可 以 通 过 式 （ 5 ） Lissajous 图 形 放电阶段 （ A-D 或 B-C 段 ） 的 斜 率 乘 以 测 量 电 容 CM 计算，将 式 （ 2 ） 与 （ 5 ） 联 立，可 以 分 别 解 得 C1 ，Cd1 + C d2 。
第 31 卷 第 1 期 2012 年 1 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol． 31，No． 1 Jan． 2012
沿面型介质阻挡放电的电气特性
李清泉，房新振，许光可，胡鹏飞，张远涛
（ 山东大学电气工程学院，山东 济南 250061）
4 放电特性分析
4. 1 外加电压对放电的影响 图 6 中随着电压增加放电气隙传输电荷 ΔQg
本文对沿面型 DBD 的放电机理进行了分析，建 立了该过程的电路 等 效 模 型，推 导 了 放 电 功 率 的 计 算公式，并对 外 加 电 压、频 率 等 因 素 对 沿 面 型 DBD
放电特性的影响进行了研究。
1 沿面型 DBD 结构及放电机理
图 1 为沿面 型 DBD 电 极 结 构 截 面 图，正 面、背 面电极分别是覆盖在介质板两侧的线状金属电极， 宽度分别为 w1 、w2 ，d 为 两 电 极 的 水 平 间 距，s 为 电 极厚度，t 为介质板 厚 度。 正 面 电 极 接 高 压 端，背 面 电极经一测量电 容 CM 接 低 压 端 并 与 地 相 连，CM 用 于测量放电过 程 中 的 传 输 电 荷，其 两 端 电 压 为 UM ， 传输电荷 Q = CM·UM。
equivalent model and Lissajous figures
= 7kHz 时，得 C1 = 11. 6pF，Cd1 + Cd2 = 29. 1pF，Up = 3. 1kV。
模型应用于沿面型 DBD 的等效具有可行性，通 过 该 模 型 的 建 立 ，能 够 计 算 出 放 电 过 程 中 等 效 电 容 、 放电维持电压 Up 以及放电传输电荷的变化情况， 进而能够了解沿面型 DBD 的放电特性。
收稿日期： 2011-02-25 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ 51077089） 作者简介： 李清泉 （ 1969-） ，男，山东籍，教授，博士，从事气体放电、过电压等方面的研究工作；
许光可 （ 1985-） ，男，山东籍，硕士研究生，从事气体放电方面的研究。
第1期
李清泉，等： 沿面型介质阻挡放电的电气特性