测量介质阻挡放电功率的一种新方法

文章编号：1006- 7736（2002 ）01- 0092- 05
测量介质阻挡放电功率的一种新方法"
杨 波，王 燕，初庆东，张芝涛，白希尧
（大连海事大学 环境科学与工程学院，辽宁 大连 116026 ）
摘要：为了解决传统的用于测量介质阻挡放电功率消耗的功率表法、高压侧电流电压测量法、C- V 轨迹 Lis-
1 几种功率测量方法的比较
1 .1 功率表测量法 用这种方法测量介质阻挡放电功率消耗，其
误差是很大的. 一种原因是高压变压器的损耗是 非线性的，它随着传输功率的不同而变化，并且整 个能耗占相当大的比例，而且不同的变压器其损 耗也不同；另一种原因是该方法只适用于测量低 频正弦交流功率，而目前用于产生高浓度臭氧的 发生器的工作频率通常为5 !30 k ~z ，远远高于 功率表的使用频率，且工作波形多种多样，自然会
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杨 波，等：测量介质阻挡放电功率的一种新方法
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为了提高测量的精确度、方便性和可靠性，本 文提出一种新的测量放电装置功率的方法：高压 电桥 Lissaj Ous 波形图法（以下简称高压电桥法）. 实际上，利用高压电桥法测量局部放电能量的方 法已经在固体绝缘材料试验中应用很广，美国的 材料与试验学会（ASTM）已经把这种方法作为测 量固体绝缘材料局部放电能量试验的标准方 法［ll ］，只是还没有人将这一方法引入到介质阻挡 放电装置功率损耗的测量中去. 它的原理与C- V 轨迹法相同，只是在测量电路中增加一只参考臂 和一个信号转换变压器，就可以利用电桥平衡原 理在放电发生之前将电桥调节平衡，从而排除了 间隙等效电容引起的测量误差，所得到的波形图 是上下两边平行于坐标轴的平行四边形，这给测 量和计算带来了极大的方便，从而提高了测量的 准确度.
率消耗. 从结果来看，高压电桥法测得的轨迹为一 直线，表 明 负 载 没 有 功 率 消 耗，与 实 际 相 符. 而 C- V 轨迹法测得的图形为一椭圆，表明电路有功 率消耗，与实际情况不符，显然是不对的，而电容
上的电压实际上是电容分压比. 真实负载实验的 结果与此相一致. 说明间隙电容的存在的确影响 C- V轨迹法测量的准确性.
图5 为电源工作频率在l k ~Z 时，利用功率 表法、高压电桥法、C- V 轨迹法测得的功率随不同
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大连海事大学学报
第28 卷
图2 高压电桥法测得的典型 Lissaj Ous 图形（!：4 k V／di v ，"：3 .22 !C／di v ） 图3 功率测量方法比较电路
图4 纯电容条件下C- V 轨迹法与高压电桥法测得的 Lissaj Ous 波形图
从这些图形可以看出，在较低频率条件下（通
常f ! 几十千赫兹），间隙内发生气体放电前的 Lissaj Ous 图形为一条直线，表明没有功率消耗. 间 隙内发生气体放电后的 Lissaj Ous 图形为上下对 边平行于横轴的平行四边形，表明负载发生功率
消耗. 前面已经提到这个平行四边形的面积就是 每周期能量损耗，因此可以利用平行四边形面积
测量或使用一些简单的面积测量仪器或使用高精 度 A／D 数据采集技术［6 ］来计算，人为误差较大， 并且在实际工作中也不方便使用. 目前国外的许 多学者仍将这一方法作为评价放电装置功率消耗 的主要方法［7 !10 ］. 1 .4 高压电桥法
" 收稿日期：2001- 07- 25. 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（60031001 ）；国家自然科学基金资助项目（69871002 ）. 作者简介：杨波（1976- ），女，辽宁朝阳人，研究生，主要从事常压非平衡等离子体的应用研究.
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杨况. 可以看出，利用功率法、CV 轨迹法测得的结果均高于高压电桥法测得的结 果.
图6 为几种不同工作频率条件下，三种测量 方法 测 量 结 果 的 比 较 图. 由 图 可 知，无 论 在 5 k ~Z 、l k ~Z 还是l5 k ~Z 情况下，测量结果均为 高压电桥法最小，功率表法最大，且随着频率的增
简单实用的方法.
3 实验分析
图l 高压电桥法测量放电能耗原理电路
个测量臂，参考臂由一个标准高压电容器和一个
可调标准低压电容器构成，测量臂由介质阻挡放
电装置及测量电容器构成. 测量时首先在负载产 生放电之前将电桥调节平衡，然后再提高电压至
应用电压，这时就会在放电间隙产生气体放电，消
耗功率，打破了电桥的平衡，产生不平衡电压，将
saj Ous 图形法等在准确性、方便性、实用性等方面所存在的问题，并真实地反映放电装置消耗的功率. 通过对 介质阻挡放电装置等效电路及传统测量方法的分析比较及实验验证，认为应用高压电桥Lissaj Ous 图形法测量 介质阻挡放电功率消耗是一种更加精确、方便、可靠、实用的方法.
关键词：介质阻挡放电；功率测量；电桥技术
中图分类号：TM930 .12
文献标识码：A
0 引言
随着臭氧应用领域的不断扩大，对利用介质 阻挡放电产生臭氧技术的研究在不断深入［1 !4 ］， 人们对臭氧发生装置的能量转化效率也越来越关 心. 传统的用于介质阻挡放电功率测量的常用方 法有三种：即功率表（瓦特表）测量法，高压侧电流 电压测量法，C- V 轨迹 Lissaj Ous 波形图法（以下 简称C- V 轨迹法）. 但是这些方法在准确性、方便 性、实用性等方面存在许多问题.
实验是在工作频率为5 !l5 k ~Z 条件下得出 的结论，对于小于5 k ~Z 的情况，所得的平行四边 形将 会 更 理 想，而 当 频 率 高 于 几 十 千 赫 兹 时，Li ssaj ous 图形会变成一个椭圆，这是由于在高频情 况下，放电间隙等效于电阻，!"= ，且间隙没有 了齐纳特性形成的. 在这种情况下，高压电桥法和 C- V 轨迹法测量的结果都将是正确的.
引入较大的误差，测量结果不会准确. 目前我国仍 将这一方 法 作 为 臭 氧 发 生 器 电 耗 测 量 的 行 业 标 准［5 ］. 1 .2 高压侧电流电压测量法
这种方法同时采样高压侧的电压电流波形，
计算瞬时消耗的功率，最后通过对瞬时功率的平
均计算出放电消耗的功率. 然而，由于介质阻挡放 电中的微放电会引起电流波形发生严重畸变，使
计算方法简单地求得每周期的能耗及负载消耗的
功率，即
W = A SO Sy
（l ）
P = f W = f A SO Sy
（2 ）
其中 W 为每周期的能量损耗，J ；P 为放电功率，
W ；f 为电源频率，~z ；A 为平行四边形的面积，
c n2 ；Sx 为水平轴偏转灵敏度，V／c n ；Sy 为垂直 轴偏转灵敏度，C／c n ；显然，这是一种既准确又
映相应功率的消耗；（b ）为C- V 轨迹法的测量电 路（；c ）为高压电桥法的测量电路. 实验时采用两 种电路连接方式（a - b 或a -c ）分别实验，保证 在相同负载、相同供电条件下功率表的读数相同.
图4 为纯电容条件下C- V 轨迹法与高压电桥 法测得的 Lissaj Ous 波形图，使用纯电容的目的是 为了等效气体发生放电前状态，此时负载应无功
图7 不同变压器不同供电波形情况比较
4 结束语
图6 放电功率与频率关系图
加，功率法同其他方法差距加大. 使用不同变压器、不同供电波形的比较情况
如图7 所示，无论是在变压器 A、变压器 B 、正弦 波、非正弦波的哪一种情况下，均可以看出功率表
法测得的结果最高，C- V 轨迹法次之，高压电桥法 最低，这又一次验证了对原理分析的正确性. 从图 中还可以看出，在使用变压器 A、B 两种情况下， 高压电桥法与C- V 轨迹法测得的结果自身差别不
这种测量方法受到限制. 1 .3 C- V 轨迹 Lissaj Ous 波形图法
由于介质阻挡放电中存在间隙等效电容 Cg ， 使用这种方法时，测量电容器积累的电荷量包含
了流过放电装置等效电容的电荷量，影响了测量
的准确度. 由于C- V 轨迹图形法获得的平行四边 形的对边不平行于坐标轴，它的面积是通过人为
2 实验原理电路图
排除 Cg 影响的最好方法是将高压电桥引入 到测量电路中. 图l 为利用高压电桥法测量放电 能耗的原理电路图. 高压电桥有一个参考臂和一
不同的是C- V 轨迹法包含了间隙电容Cg 的影响， 反映的是视在功率；而高压电桥法利用电桥的平
衡原理排除了间隙电容 Cg 的影响，因此测得的是 真正用于放电功率消耗的有功功率. 图2 为利用 高压电桥法在5 k ~Z 、l5 k ~Z 、l k ~Z 各种不同电 压条件下测得的典型的波形图.
参 考 文 献：
［l ］ 白希尧. 臭氧产生方法及其应用［J ］. 自然杂志，2 ，22（6 ）：34- 353 . ［2 ］ 白希尧. 高气压强电离放电等离子体学科的形成及应用展望［J ］. 自然杂志，2 ，22（3 ）：l56- l6 . ［3 ］ Urashi ma K ，Chang J S，Ito T. The Eff ect of an Applied Voltage phase diff erences on t he NOx reducti on fromt he Com-
ti ons on I ndustry Applicati ons ，1998 ，34（3 ）：563- 570 . ［7 ］ Kazuyuki Ohe ，Ki yohito Ka mi ya and Takashi Ki mura .I mprove ment of Ozone Yiel di ng Rate i n At mospheric Pressure Bar-
该电压及负载两端的电压分别送到示波器的 Y ， x 轴，就会在示波器上产生一个上下对边平行于 坐标轴的平行四边形，该平行四边形的面积就是
每周期的功率消耗. 从原理上看，高压电桥法测量放电功率的原
理与C- V 轨迹法相同，都是利用测量一个周期内 通过电容器的电荷量来反映放电的功率消耗，所