低气压板-板与多针-板电极结构甲烷气体介质阻挡放电的对比

Comparison of DBD in Methane Between Parallel-plate and Multi-needles to Plate Electrode in Low Pressure

李平1,2, 穆海宝1, 虞春艳1, 许桂敏1, 石兴民1, 张冠军1

1. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安710049

2. 安徽理工大学电气与信息工程学院,淮南232001

LI Ping1,2, MU Haibao1, YU Chunyan1, XU Guimin1, SHI Xingmin1, ZHANG Guanjun1

1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
2. Institute of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

  • 李 平1981—,男,博士生,硕导,主要从事放电等离子体及其应用、放电等离子体辅助燃烧、变电设备故障检测与诊断等方面的研究,主持国家自然科学基金青年项目1项、安徽省高校自然科学基金重点项目1项,E-mail: kunguoli@126.com

  • 穆海宝(通信作者)1982—,男,博士,副教授、硕导,从事放电等离子体及其应用、高电压绝缘电荷特性、变电设备状态检修与故障诊断等方面的研究,主持国家自然科学基金青年项目1项、面上项目1项、陕西省自然科学基金1项、企业或高校合作课题等10余项,E-mail: haibaomu@xjtu.edu.cn

  • 张冠军(通信作者)1970—,男,博士,教授、博导,主要从事电气绝缘介电现象、放电等离子体及其应用、电力设备状态检修等方向的研究,国家杰出青年基金获得者,科技部中青年科技创新领军人才,主持国家重大科技专项、自然科学基金重点项目及863项目等多项,E-mail: gjzhang@xjtu.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金(51477135; 51607003; 11575003; 81372076; 51677146; 51521065); 陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JQ7254); 安徽省高校自然科学基金重点项目(KJ2016A194); Project supported by National Natural Science Foundation of China (51477135, 51607003, 11575003, 81372076, 51677146, 51521065), Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China (2014JQ7254), Key University Science Research Project of Anhui Province (KJ2016A194);

摘要

为深入理解低气压板-板与多针-板电极结构甲烷气体DBD放电特性的差异,主要设计并测量了两种电极结构的放电特性,研究了放电电气参量随气体压强变化规律,测量了两种电极结构的放电区发射光谱,诊断了两种电极结构CH双原子分子的转动温度,利用转动温度近似气体温度,得到了气体温度随气压变化的规律,并对所得到的结果进行了分析和讨论。结果表明:在等气隙条件下,两种电极结构随着气压的升高放电逐渐过渡到不稳定状态,放电半径逐渐缩小,有明显的同心圆形貌;多针-板阵列结构电极相对于板-板电极结构,在电压正半周期时放电电流较大,在电压负半周时放电电流十分微弱。当气压较高时多针-板阵列结构起始放电的极间电压较低;光谱计算表明在其他条件相同条件下,多针-板阵列结构的气体温度较低。

关键词 : 低气压; 介质阻挡放电; 斑图; 放电特性; 光谱特性; 放电形貌;

DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20170527009

ABSTRACT

In order to deeply understand the differences of DBD characteristics of methane gas between plate-to-plate and multi-needles to plate electrode structures in low pressure, we mainly measured the discharge properties of the two kinds of electrode structures, and investigated the variation trend of discharge electric parameters as a function of different pressures. The emission spectrum of discharge was measured by iStar DH 334T, and the rotational temperature of CH molecule was diagnosed. The variation regularity of gas temperature can be obtained by the law that rotational temperature, which is similar to gas temperature. The results shows that when the air gap is constant, the two electrode structures gradually transit to unstable status with the increase of gas pressure. Discharge radius gradually decrease, and present an obvious appearance of concentric circles. Compared to plate-to-plate electrode structures, multi-needles to plate electrode array structures have a higher discharge current in the positive half cycle of voltage and a lower discharge current in the negative half cycle of voltage, respectively. When gas pressure is relatively high, the ignition voltage of multi-needles to plate electrode array structures is relatively low. The spectrum calculation results indicate that gas temperature of multi-needles to plate electrode array structures is low.

KEY WORDS : low pressure; dielectric barrier discharge; pattern; discharge characteristic; spectral characteristic; discharge morphology;

0 引言

低气压环境的燃烧对提高燃料的利用效率、减小燃烧对环境的污染具有较高的研究价值,甲烷气体具有碳氢燃料共性特征。近年来,等离子体辅助燃烧,甲烷制氢等方面研究已经成为国内外同行研究的焦点[1-2],相对于微波放电、激光诱导等其他辅助燃烧方式,采用介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体具有结构简单、激励电源体积较小等优点。介质阻挡放电利用电极间的电介质抑制电子崩进一步演化为电弧放电[3-4],能在大气压或低气压环境产生较为弥散低温等离子体,其富含亚稳态粒子成分丰富、非平衡度较高,具有广泛的应用前景[3-5]

有关介质阻挡放电等离子体的研究近年来一直是高电压新技术学科的研究热点,板-板、单针-板和多针-板阵列等电极结构的研究精彩纷呈,对其放电形貌,起始放电电压,电流脉冲与气压、气体流速和氛围的关系,放电功率、光谱特性及纳秒时间尺度放电演化过程已进行了充分的研究,也已取得了可喜的进展。但针对纯甲烷气体氛围在等气体间隙条件下,放电电流、放电起始时极间电压、放电功率,光谱分布等与气体压强之间的关系在板-板和多针-板阵列两种电极结构的对比研究较少。

甲烷分布范围广,是最简单的有机物、含碳量最小的烃,也是天然气、沼气和深部矿井瓦斯的主要成分;甲烷具有其他碳氢燃料的一般共性特征,因此研究甲烷气体电离对研究等离子体辅助燃烧具有代表性意义[1]。燃烧的时间尺度是毫秒数量级,甲烷气体介质阻挡放电能够在微秒乃至纳秒时间尺度电离产生CHx等自由基,因此等离子体辅助燃烧能够加快燃烧进程,提高燃烧效能,拓展燃料的可燃极限。

本文研究了低气压环境板-板与多针-板电极结构甲烷气体介质阻挡放电等离子体随气体压力和电压的变化引起的放电形貌变化规律,通过放电特性结合光谱分析,对比研究了两者之间的差异,最终为实现在较高的气压环境实现甲烷的电离对甲烷制氢、等离子体辅助燃烧等方面的研究奠定基础,本文的研究结论可为设计等离子体助燃及其他应用的电极结构设计提供指导。

1 实验装置及测量方法

图1是典型的介质阻挡放电实验系统布置,板-板结构高压电极为直径50 mm的铜圆盘、多针-板结构的相邻针间距离为12.5 mm(外接圆直径50 mm),总计19根针尖直径0.1 mm钨电极作为高压端;R为限流电阻;地电极为ITO导电玻璃,电介质采用厚度为1 mm的Al2O3可加工陶瓷,电介质紧贴高压板电极(多针尖);其中地电极固定于电位移平台,便于调节电极之间距离,电极之间距离远小于平板电极面积。放电激励为南京苏曼CTP-2000K高压交变多点谐振电源,输出电压UPP调节范围0~30 kV,频率范围:1~100 kHz,本实验系统选择的谐振中心点频率为20 kHz。电压测量采用Tektronix P6015A无源高压探头,电流测量使用Pearson 2877衰减器,电压、电流及触发信号输出记录示波器为Lecroy MXs-B,发射光谱测量采用安道尔iStar DH 334T中阶梯光栅(Echelle)光谱仪一次成谱,实验中数码图像记录使用Canon 60D数码相机。

为了研究低气压环境纯净(体积分数99.999%)甲烷(CH4)气体板-板和多针-板电极结构介质阻挡放电特性对比,首先用真空机将真空腔体内部气体抽出,使其接近真空状态后关闭抽气阀门,然后甲烷气体通过二级减压阀,经过气体流量计控制甲烷流速,通过流量计可精确控制真空腔体内甲烷的气压。通过光学微距位移平台可高精度控制电极之间距离,利用直径50 μm光纤聚焦电极侧面中心位置进行光谱测量。

2 实验结果与分析

实验中数码相机曝光时间为1 s;光谱成像的单次曝光时间是0.5 s、增益为4095、累计次数25,

图1 DBD实验系统装置布局 Fig. 1 Experiment system setup of DBD

门宽时间为0.5 s。始终保持放电气体间隙距离保持2 mm不变,真空腔内温度24.1 ℃、相对湿度(16±2)%,改变气压对其放电等离子体特性进行对比。

2.1 板-板电极结构DBD的放电特性

实验表明未添加催化剂的情况下,甲烷气体放电比较困难[5],且温度较高,本实验中气隙距离1.0 mm情况,气压在30 kPa以下能够比较容易电离,气压较高时放电呈现斑图模式。斑图是一种广泛存在于自然界的一种非线性自组织现象[6-8],图2所示是本实验中低气压纯净甲烷板-板电极结构DBD斑图形貌;随着气体压强从5 kPa升高到30 kPa,电极间电压峰-峰值3.2 kV,放电形貌从较为弥散的均匀放电状态过渡到斑图模式,最终呈现不规则放电形貌,放电半径随气压升高而减小,且电极边缘放电较圆心位置较强[9],如改变图像曝光时间,这种同心环形结构的形貌特征愈加突出。

图3所示为利用电流触发测量,在气压5 kPa条件下的起始时放电电压电流波形,此时放电电压峰峰值为1.6 kV,利用文献[9-10]的方法可计算放电气隙电压Ugap,放电总电流为I。正半周期放电电流呈现比较明显的周期性,放电电流负半周的脉冲较为分散;这说明同样气隙条件下,甲烷气体DBD没有氦气等稀有气体放电均匀,仍然为丝状放电[11]。利用李萨茹(Lissajous)曲线计算放电功率(这种方法未区分电介质的热损耗,严格意义上不是真正的气体放电功率,但仍可反映放电的相对剧烈程度),随着气体压强的升高,放电功率逐渐下降,当甲烷气体压强达到100 kPa时无放电产生。

由于起始放电电压受到介质表面电荷的影响,在一定时间内,随着放电时间增加,电介质表面电荷增加,放电起始电压有所下降,本实验过程两次起始放电时间间隔10 min,从而最大限度保证上一次放电过程对下一次放电起始电压的影响尽可能减小,此外利用电流信号作为触发ICCD信号发现先放电的位置具有先熄灭现象。

仅考虑裸电极情况,无论板-板电极结构或针-板结构,根据帕邢定律随着气体压强升高,理论和实验均表明同一气体的击穿电压近似呈现线性增加,且二者曲线几乎重合。但当高压电极与地之间增加平面电介质后,由于存在一定的空间电荷累积,电极之间电压与气压升高之间并非线性增加,如图4所示为起始放电时电极之间电压(多针-板电极结

图2 板-板电极结构DBD形貌 Fig. 2 DBD morphology use plate-plate electrode structure

图3 板-板结构放电起始时极间电压和线路电流波形(Up-p=1.6 kV) Fig. 3 Voltage and current waveform between plate-plate in initial discharge state(Up-p=1.6 kV)

图4 两种结构起始放电时电极间电压随气压变化规律 Fig.4 Change rule of initial discharge voltage about these two kinds of structure

构的极间电容难以确定,为便于对比,采用电极之间电压衡量)随气压的变化规律,当气压逐渐升高后,起始放电极间电压逐渐增加;当气体压强>15 kPa后放电起始电压急剧升高,起始放电极间电压较为分散。

2.2 多针-板阵列电极结DBD放电特性

利用前述板-板电极结构实验平台,将高压电极替换成多针结构,布局采用蜂巢状结构,19根相邻针电极之间等距离,可最大限度减小不同电极之间放电耦合引起的放电不一致性。多针布局如图5(a)所示,相邻电极为间距12.5 mm的钨针,针尖直径ɸ=0.2 mm,采用高精度机械加工可保证针尖基本共面,针尖平面紧贴Al2O3陶瓷表面。

图5(b)所示是本实验中低气压纯净甲烷气体氛围多针-板电极结构放电形貌;随着气体压强从5 kPa升高到30 kPa,电极间电压峰-峰值3.2 kV,放电形貌从较为一致的放电状态过渡到局部放电,具有一定的分散性。当气体压强较低如5 kPa时,每个针尖周围的放电等离子体近似呈现正六边形形貌;随着气体压强的升高放电减弱,针尖周围的放电等离子体呈现圆形形貌;当气压在30 kPa时每个针尖的放电强度具有一定随机性。

采用上述板-板电极结构起始电压测量的方法,图6所示为在气压5 kPa条件下,起始放电时金属电极之间的电压和线路电流波形,此时极间电压峰-峰值为1.5 kV,较板-板电极结构有所降低,当气压升高时这种现象更加明显。正半周期放电电流呈现比较明显的周期性,每个放电电流脉冲以3~4个为主。电压负半周期时放电电流较弱(多针-板电极结构的这种现象与气体氛围无关);电压正半周期时的放电电流峰值可达80 mA,相较于板-板电极结构明显增加。随着气体压强的升高,利用李萨茹曲线计算放电功率亦明显有下降趋势,当甲烷气体压强上升到100 kPa时部分针尖呈现较弱的微放电现象。

由于空间电荷分布不同,且多针-板结构人为制造了极不均匀电场,起始放电时电极之间的电压较板-板结构有所差异[12-13],如图4所示。当气体压强较低时,起始放电时极间电压与板-板结构较为一致,但此时的放电起始电压一致性较好;当气压较高时两种电极结构起始放电时的极间电压明显多针-板结构较低,这说明多针-板电极结构的空间电荷产生的自建电场的影响较板-板电极结构偏弱。

2.3 两种结构的光谱特性

本实验的发射光谱测量从侧面位置聚焦,这样可避免由于放电细丝的空间运动带来的实验误差,

图5 多针-板阵列电极结构及其DBD形貌 Fig.5 DBD morphology using mult-needles to plate electrode structure

图6 多针-板阵列结构放电起始时极间电压和线路电流波形(Up-p=1.5 kV) Fig.6 Voltage and current waveform between mult-needles to plate in initial discharge state (Up-p=1.5 kV)

测量时光纤尽可能靠近电极,并聚焦放电侧面的中心位置。由于甲烷分子呈正四面体结构(C原子位于中心,H原子位于四面体顶点),C—H键角均为109˚28′(键长相等),C—H键的平均键能414 kJ·mol-1(约4.30 eV),CH3—H电离能[14]为435 kJ·mol-1(约4.51 eV),因此甲烷电离比较困难,很难形成大面积均匀稳定的放电。

分子的运动除了有平动和振动外还有转动,分子的振动和转动时同时进行无法绝对分割,且振动和转动均能影响分子的光谱图。对于双原子分子如CH等的转动存在处于相同能级但又不同的运动状态[15-17],这种状态是由于转动时空间取向不同而形成,分子光谱基本理论已证明转动光谱是一系列距离相等的吸收峰,转动光谱图的吸收峰表示两个相邻能级的能量差值,由于振动跃迁的同时会带动转动跃迁,所以振动光谱呈现出谱带特征。图中X表示分子的基态,A、B、C等分别为能级逐渐上升的激发态。

图7所示为低气压时板-板电极结构甲烷DBD光谱随气压变化的分布,多针-板结构低气压甲烷DBD光谱分布规律与板-板结构相比强度和展宽有所不同,随气压变化的分布具有类似规律。总体规律体现在随着气体压强的升高,放电逐渐强度减弱,发射光谱的强度明显降低,且在较低气压时的粒子成分更为丰富。CH粒子的产生主要由如下化学方程式决定[1,16-18]

e+CH4→CH3-+H++e (1)

e+CH3-→CH22-+H++e (2)

e+CH22-→CH3-+H++e (3)

e+N2→N2+e (4)

N2+CH4→N2+CH3-+H+ (5)

图7谱线中N2(C-B, 0-1)跃迁产生的第二正带系发射光谱[19-21]波长为357.0 nm,利用CH(C-X) 314.2 nm、CH(C-X) 343.6 nm两条谱线,利用Lifbase2.1.1拟合可得到CH转动温度(近似气体温度)[19]图8结果表明在相同的外施电压、气压和气隙条件下多针-板电极结构的等离子体转动温度较低,且平均光谱表明CH自由基浓度更高[20-22]

3 结论

1)板-板电极结构放电形貌从较为弥散的均匀放电状态过渡到斑图模式,最终呈现不规则的放电形貌,放电半径随气压升高而减小,且电极边缘放电较圆心位置明显较强。在相同的气压条件下,多针-板阵列结构在电压正半周期时,放电电流为板-板电极结构的2倍以上;当气压较低时,正半周期放电电流脉冲数有明显的规律性。多针-板阵列结构电极相对于板-板电极结构,在电压负半周时放电电流十分微弱。

2)随着气压逐渐升高,两种电极结构在起始放电时,极间电压非线性增加;当甲烷气体压强大

图7 板-板结构甲烷DBD光谱与气压之间关系的分布图 Fig.7 Emission spectrum of methane DBD relation with gas pressure

图8 等离子体转动温度变化 Fig.8 Change law of plasma rotational temperature

于15 kPa后起始放的极间电压急剧升高,起始放电的电极之间电压较为分散;在相同的甲烷气体压强,板-板电极结构的气体转动温度相对较高,长期放电电介质容易击穿。

3)由于真空腔壁及放电装置本身的吸附氮气难以释放,实际DBD产生的主要活性粒子主要为CH、N2及少量H。两种电极结构的DBD发射光谱在中心波长为CH(C-X) 314.5 nm、CH(C-X) 343.6 nm、氮气第二正带系N2(C-B) 357.0 nm的谱线较强,当气压较低时的活性粒子更丰富,后续研究可关注吸附气体对两种电极结构甲烷放电特性的影响。

参考文献

[1] JU Y G, LEFKOWITZ J K, REUTER C B, et al.Plasma assisted low temperature combustion[J]. Plasma Chem Plasma Process, 2016, 36(1): 85-105.

[2] SHAO T, ZHANG C, FANG Z, et al.A comparative study of water electrodes versus metal electrodes for excitation of nanosecond-pulse homogeneous dielectric barrier discharge in open air[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(10): 3069-3078.

[3] JIANWEI G U, ZHANG C, WANG R X, et al.Atmospheric-pressure pulsed gas discharge and pulsed plasma application[J]. Plasma Science and Technology, 2016, 18(3): 230-235.

[4] 牛宗涛,章程,王瑞雪,. 脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电特性影响的实验研究[J]. 电工技术学报,2016,31(19):191-198. NIU Zongtao, ZHANG Cheng, WANG Ruixue, et al.Experimental study on the effect of the pulse repetition frequency on the characteristics of microsecond-pulse gliding discharges[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(19): 191-198.

[5] JIANG Nan, HU Jian, LI Jie, et al.Plasma-catalytic degradation of benzene over Ag-Ce bimetallic oxide catalysts using hybrid surface/packed-bed discharge plasmas[J]. Applied Catalysis B Environmental, 2016(184): 355-363.

[6] CALLEGARI T, Bernecker B, Boeuf J P.Pattern formation and dynamics of plasma filaments in dielectric barrier discharges[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2014(23): 054003.

[7] 董丽芳,朱平,杨京,. 介质阻挡放电复杂同心圆环斑图的研究[J]. 高电压技术,2015,41(9):2856-2861. DONG Lifang, ZHU Ping, YANG Jing, et al.Study of complex concentric-ring pattern in dielectric barrier discharge[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(9): 2856-2861.

[8] 张芝涛,张志鹏,俞哲. 大气压介质阻挡微放电通道的相互作用[J]. 高电压技术,2015,41(9):2880-2887. ZHANG Zhitao, ZHANG Zhipeng, YU Zhe.Interaction between micro discharge channels in dielectric barrier discharge at atmospheric pressure[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(9): 2880-2887.

[9] YAO C W, CHANG Z S, MA H C, et al.Experimental research on mode transitions of atmospheric pressure helium dielectric barrier discharge[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2016, 44(11): 2576-2588.

[10] 罗海云,冉俊霞,王新新. 大气压不同惰性气体介质阻挡放电特性的比较[J]. 高电压技术,2012,38(5):1070-1077. LUO Haiyun, RAN Junxia, WANG Xinxin.Comparision study of dielectric barrier discharge in inert gases at atmospheric pressure[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(5): 1070-1077.

[11] 方志,谈坚,杨静,. 多针-平板电极气液两相介质阻挡的放电特性[J]. 高电压技术,2016,42(3):731-738. FANG Zhi, TAN Jian, YANG Jing, et al.Discharge characteristic of multiple needles to plate dielectric barrier discharge in gas-liquid mixture[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 731-738.

[12] 刘定新,李嘉丰,马致臻,. 空气沿面介质阻挡放电中活性粒子成分及其影响因素[J]. 高电压技术,2016,42(2):421-427. LIU Dingxin, LI Jiafeng, MA Zhizhen, et al.Reactive species in surface micro-discharge in air and their influencing factors[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(2): 421-427.

[13] 董冰岩,周海金,施志勇,. 电极配置对多针-板脉冲等离子体反应器放电特性的影响[J]. 环境工程学报,2016,10(1):262-266. DONG Bingyan, ZHOU Haijin, SHI Zhiyong, et al.Impact of electrode configuration on discharge characteristics of multi-needle-plate pulse plasma reactor[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016, 10(1): 262-266.

[14] 任春生. 常压空气辉光放电的形成和介质阻挡放电聚合物表面处理研究[D]. 大连:大连理工大学,2008. REN Chunsheng.Study on the form of APGD in air and the surface treatment of polymers by DBD[D]. Dalian, China: Dalian University of Technology, 2008.

[15] LUQUE J, CROSLEY D R.LIFBASE: database and spectral simulation (version2.1.1)[R]. California, USA: SRI, 1999.

[16] ULENIKOV O N, BEKHTEREVA E S, ALBERT S, et al.Survey of the high resolution infrared spectrum of methane (12CH4 and 13CH4): partial vibrational assignment extended towards 12 000 cm-1[J]. The Journal of Chemical Physics, 2014, 141: 234302.

[17] ŠIMEK M.Optical diagnostics of streamer discharges in atmospheric gases[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2014, 47(46): 463001.

[18] LI T, ADAMOVICH I V, SUTTON J A.Effects of non-equilibrium plasmas on low-pressure, premixed flames. part 1: CH∗ chemiluminescence, temperature, and OH[J]. Combustion and Flame, 2016(165): 50-67.

[19] BRUGGEMAN P J, SADEGHI N, SCHRAM D C, et al.Gas temperature determination from rotational lines in non-equilibrium plasmas: a review[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2014(23): 023001.

[20] 何立明,陈高成,赵兵兵,. 空气等离子体射流点火器的光谱特性实验研究[J]. 高电压技术,2015,41(9):2874-2879. HE Liming, CHEN Gaocheng, ZHAO Bingbing, et al.Experimental investigation on spectral characteristics of air plasma jet igniter[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(9): 2874-2879.

[21] 夏俊明,孙海龙,霍文青,. 气压对大面积等离子体片电子密度分布的影响[J]. 强激光与粒子束,2015,27(8):084005. XIA Junming, SUN Hailong, HUO Wenqing, et al.Effects of pressure on the pulsed magnetic confinement linear hollow cathode discharge[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(8): 084005.

[22] ZHANG D Z, WANG Y H, WANG D Z.The nonlinear behaviors in atmospheric dielectric barrier multi pulse discharges[J]. Plasma Science and Technology, 2016, 18(8): 826-831.

  • 目录

    图1