基于聚四氟乙烯板的介质阻挡放电问题研究

赵会超

火箭军士官学校 山东青州 262500

【摘　要】　本文首先建立基于聚四氟乙烯板的介质阻挡放电模型，理论分析了介质厚度与放电电压和放电功率的关系，并进行了实验验证，为后续研制便携式等离子体产生设备提供依据。

【关键词】介质阻挡放电　低温等离子体 聚四氟乙烯板

1 引言

鉴于地球上温度较低，等离子体不能稳定存在，因而需要通过人工方式产生。人工产生等离子体主要有很多种，其中气体放电方法是最常用的方法。

介质阻挡放电（DBD）是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式，又称无声放电。介质阻挡放电时，产生很多无规则分布的放电细丝（又称微放电），其放电形态分布于整个放电空间范围内，绝缘介质的存在可以有效阻碍电流的增大，阻断流光击穿通道，形成比较稳定的等离子体。

2 基于聚四氟乙烯板的介质阻挡放电理论分析

2.1 分析建模

基于聚四氟乙烯板的介质阻挡放电结构如图1所示, 设介质（聚四氟乙烯）层厚度为 ，气体间隙为 ，介质上面的电压为 ，间隙上的电压为 。

图1 DBD放电结构示意图

当放电间隙上的电压 小于介质上面的电压 不会发生放电现象，其等效电路如图2（a）所示，其中 为聚四氟乙烯介质电容， 为气体间隙电容；当放电间隙上的电压 等于介质上面的电压 时，开始发生放电现象，随后放电电流逐渐增大，放电过程中， 基本保持不变，其等效电路如图2（b）所示。其中Z为双向稳压管，其上面的稳压值就是放电维持电压 。介质阻挡放电电路在未放电时等效为 与 串联，在放电时等效为 与Z串联。

（a）未放电时 （b）放电时

图2 介质阻挡放电等效电路

2.2 放电过程

设交流电源的电流为 ，开始放电时的电角度为 ，电极板与绝缘介质板空气间隙电压为 ，空气间隙充电电流 ，空气间隙放电电流为 。则

（1）当 时，

_（1）

_{（2）在正向开始放电阶段，即区间（0，θ]内有：}

_（2）

_{（3）在正向放电阶段，即区间（θ，π]内有：}

_（3）

（4）正向放电阶段结束到负向开始放电阶段，即区间（π，π+θ）内有

_（4）

（5）负向放电阶段，即在区间[π+θ，2π]内有

_（5）

可以看出空气间隙电流 超前空气间隙电压 一定的电角度，说明介质阻挡放电时的空气间隙是呈容性的。

2.3 等效电阻

将间隙电压 进行傅里叶展开，利用其基波分量可以求出放电间隙的等效阻抗为

_（6）

式中， ， 表明电阻 和电抗 都是非线性的，且 呈容性。

综上分析，介质阻挡放电时空气间隙的阻抗可以等效为一个非线性电阻和一个非线性电容的串联。

2.4 放电功率

介质阻挡放电时的功率主要是消耗在气体间隙中，在放电发生时气体间隙电压 维持不变，气体间隙放电电流 远大于气体间隙充电电流 ,此时介质阻挡放电消耗的功率^[64]为

_（7）

从公式可以看出，随着介质厚度的变化而气体间隙电压和介质上面的电压也会发生变化。气体间隙的阻抗随频率的变化会发生变化，同时会导致气体间隙电压的变化。因而介质阻挡放电消耗的功率与外加电源的频率和介质的厚度有较大的关联。

3 基于聚四氟乙烯板的介质阻挡放电实验验证

选择不同厚度的聚四氟乙烯介质板作为放电阻挡介质，正极用直径为40mm、厚度为1mm的圆形铜板；阴极采用直径54mm、厚度为1mm、孔径为1mm的不锈钢网。测量时发现当调整电压幅值足够大时，便会发生介质阻挡放电。均匀放电时，放电电流呈现快脉冲细丝状，电流脉冲的幅度不停的变化。

当选择使用的聚四氟乙烯介质板厚度不同、等离子体电源频率不同时，输入功率与输出电压随之发生变化，实验测量结果如图3所示。

（a）电源输出电压随频率的变化 （b）电源输入功率随频率的变化

图3 等离子体电源输出电压与输入功率随频率的变化

从图3（a）可以看出，输出电压随频率开始升高到某点时开始下降，类似抛物线的形状。当介质厚度较厚时，频率较小（8.475KHz）和较大（24.75KHz）时，没有发生均匀的介质阻挡放电，原因是电源输出电压的幅值在这两处较小，不能击穿介质发生放电现象。通过示波器观察，当频率从小增大时，电源输出电压的幅值先变大，然后逐渐变小。还可以看出，随着介质厚度的增加，电源的输出电压会升高，比如在18KHZ处，当发生均匀的介质阻挡放电时，1mm厚度的介质板输出电压8KV，2mm厚度的介质板输出电压为9.6KV，5mm厚的介质板输出电压为12.9KV。

从图3（b）可以看出，随着电源频率的增加，电源的输入功率增大，基本上呈线性变化，与公式（7）相吻合。还可以看出，当介质厚度较大时，产生比较均匀的放电需要消耗较大的功率。

4 结论

当用聚四氟乙烯板作为介质进行阻挡放电时，放电电路等效为聚四氟乙烯介质 与空气间隙的阻抗 串联， 可以等效为一个非线性电阻和一个非线性电容的串联，放电时的功率主要是消耗在气体间隙中。随着介质厚度的变化而气体间隙电压和介质上面的电压也会发生变化，气体间隙的阻抗随频率的变化会发生变化，同时会导致气体间隙电压的变化。因而介质阻挡放电消耗的功率与外加电源的频率和介质的厚度有较大的关联。

参考文献

1. 刘卫华，孙立萌，梁哲. 电弧等离子体激励电源的研究[J].电脑编程技巧与维护，2020.4：38-40

2. 李雪林，刘峰，方志. 三维共面介质阻挡放电装置及放电特性研究[J]. 高压电器, 2019.09: 150-156.