测量介质阻挡放电功率的一种新方法
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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.
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.
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
大,而功率表法差别却很大. 而从不同波形来看, 尽管功率表法差别不大,但高压电桥法与C- V 轨 迹法自身比较的差别却很大,此时观察放电装置 的放电情况,发现采用方波供电时的放电状态比 正弦波供电时的状态强烈得多,说明此时消耗的 功率增加,但功率表法却没有反映出消耗功率的 增加.
图5 放电功率与频率关系图
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
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
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
第l 期
杨 波,等:测量介质阻挡放电功率的一种新方法
93
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.
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
94
大连海事大学学报
第28 卷Байду номын сангаас
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
第l 期
杨 波,等:测量介质阻挡放电功率的一种新方法
95
供电电压变化的情况. 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
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
图3 为几种测量方法的比较电路.(a )为带有 功率表的电源电路,由于采用5 !l5 k ~Z 的逆变 电源供电,把功率表放在直流侧可以更准确地反
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.
第28 卷 第1 期
大连海事大学学报
VO1 .28 ,NO .1
2002 年2 月
Journal of dali an mariti me universit y
Feb . ,2002
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
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.
busti on fl ue gases by Superi mposed Surf ace and Silent discharge plas ma reactors[r ]. I n proc I EEE - I AS Annu meet-
96
大连海事大学学报
第28 卷
i ng ,1995 .1425- 1431 . [4 ] 葛本昌树. 工丰/L羊厅-[J ]. 资源,1999 ,20 :435 . [5 ] CJ/T 3028 -94. 中华人民共和国城镇建设行业标准. 臭氧发生器臭氧浓度、产量、电耗的测量[S]. [6 ] Rachel Feng and Shesha Jayara m. Automated Syste mf or PoWer Measure ment i n t he Silent discharge[J ].I EEE Transac-
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
利用电桥平衡原理排除了 Cg 的影响,获得的 Lissaj ous 图形为上下对边平行于坐标轴的平行四 边形,既便于测量又便于计算,因此高压电桥测量
介质阻挡放电的功率消耗是一种更准确、方便、实
用的方法. 该方法不仅可用于介质阻挡放电功率 的测量,还可以用于局部放电、电晕放电等相似的
领域进行功率消耗的测量. 但是对这种测量方法 的精确度还没有评价的标准.
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
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-
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-
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
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.
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.
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
大,而功率表法差别却很大. 而从不同波形来看, 尽管功率表法差别不大,但高压电桥法与C- V 轨 迹法自身比较的差别却很大,此时观察放电装置 的放电情况,发现采用方波供电时的放电状态比 正弦波供电时的状态强烈得多,说明此时消耗的 功率增加,但功率表法却没有反映出消耗功率的 增加.
图5 放电功率与频率关系图
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
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
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
第l 期
杨 波,等:测量介质阻挡放电功率的一种新方法
93
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.
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
94
大连海事大学学报
第28 卷Байду номын сангаас
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
第l 期
杨 波,等:测量介质阻挡放电功率的一种新方法
95
供电电压变化的情况. 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
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
图3 为几种测量方法的比较电路.(a )为带有 功率表的电源电路,由于采用5 !l5 k ~Z 的逆变 电源供电,把功率表放在直流侧可以更准确地反
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.
第28 卷 第1 期
大连海事大学学报
VO1 .28 ,NO .1
2002 年2 月
Journal of dali an mariti me universit y
Feb . ,2002
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
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.
busti on fl ue gases by Superi mposed Surf ace and Silent discharge plas ma reactors[r ]. I n proc I EEE - I AS Annu meet-
96
大连海事大学学报
第28 卷
i ng ,1995 .1425- 1431 . [4 ] 葛本昌树. 工丰/L羊厅-[J ]. 资源,1999 ,20 :435 . [5 ] CJ/T 3028 -94. 中华人民共和国城镇建设行业标准. 臭氧发生器臭氧浓度、产量、电耗的测量[S]. [6 ] Rachel Feng and Shesha Jayara m. Automated Syste mf or PoWer Measure ment i n t he Silent discharge[J ].I EEE Transac-
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
利用电桥平衡原理排除了 Cg 的影响,获得的 Lissaj ous 图形为上下对边平行于坐标轴的平行四 边形,既便于测量又便于计算,因此高压电桥测量
介质阻挡放电的功率消耗是一种更准确、方便、实
用的方法. 该方法不仅可用于介质阻挡放电功率 的测量,还可以用于局部放电、电晕放电等相似的
领域进行功率消耗的测量. 但是对这种测量方法 的精确度还没有评价的标准.
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
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-
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-
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