CN110736903A

CN110736903A - 一种电晕放电研究模型

Info

Publication number: CN110736903A
Application number: CN201911053110.3A
Authority: CN
Inventors: 李安昌; 李晓明; 张蕊; 周雪青; 刘翔宇; 刘清泉
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd; State Grid Hebei Energy Technology Service Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd; State Grid Hebei Energy Technology Service Co Ltd
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2039-10-31
Also published as: CN110736903B

Abstract

本发明公开了一种电晕放电研究模型，包括绝缘支撑架、固定安装在绝缘支撑架中部的金属板、固定在金属板下方中心位置的电机定子、固定连接在电机定子的电机主轴上的旋转圆筒、固定连接在旋转圆筒侧面的旋转电极以及穿过旋转圆筒顶部中心与旋转电极相接触的第二铜棒；所述旋转圆筒为绝缘材质，并位于金属板上方。本发明可以在一定范围内任意改变电极旋转速度，通过旋转速度的差异探究空间电荷在电晕放电中的作用机理，填补了国内在该领域研究的空白。

Description

一种电晕放电研究模型

技术领域

本发明高电压放电领域，具体涉及一种电晕放电研究模型，用于研究点板式直流电晕放电中空间电荷对放电影响。

背景技术

在电场中，电晕放电是由带电导体周围的气体电离而引起的放电。当导体附近的电场强度高到足以形成导电区域，但又不足以引起相邻电极的电击穿或电弧时，就会发生电晕放电。

非可控电晕放电是不必要的，因为浪费电能并释放臭氧等有害化合物，而可控电晕放电可广泛应用于过滤、印刷等领域。我国目前在电晕放电研究领域，所使用的模型均为固定式模型，只能对传统电晕放电的原理展开验证，无法进一步研究电晕周围的空间电荷对与放电程度之间的精确关系。

因此，亟需提供一种解决上述问题的电晕放电研究模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种电晕放电研究模型，在电晕放电生成的过程中，电极由于快速移动与放电电离产生的空间电荷迅速分离，通过调整电极移动的速度，来改变电极周围空间电荷的密度，以此研究空间电荷与放电特性之间存在的具体关系，从而探明空间电荷对电晕放电产生的影响。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种电晕放电研究模型，包括绝缘支撑架、固定安装在绝缘支撑架中部的金属板、固定在金属板下方中心位置的电机定子、固定连接在电机定子的电机主轴上的旋转圆筒、固定连接在旋转圆筒侧面的旋转电极以及穿过旋转圆筒顶部中心与旋转电极相接触的第二铜棒；

所述旋转圆筒为绝缘材质，并位于金属板上方。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘支撑架包括支撑底板、固定在支撑底板上的支柱以及固定在支柱上端并位于第二铜棒上方的的顶板；

所述第二铜棒的顶端与顶板之间连接有弹簧，以对第二铜棒提供压力。

作为本发明的进一步改进，所述顶板的中心设置有与弹簧相连通的螺丝，所述螺丝用来连接高压电源。

作为本发明的进一步改进，所述旋转电极包括插入旋转圆筒侧面的第一铜棒以及连接在第一铜棒末端的电极；所述电极向下弯曲，其电极点与金属板上表面相对。

作为本发明的进一步改进，所述支撑底板和顶板均为PVC圆形板，所述支柱为PVC支柱，所述旋转圆筒为PVC圆筒。

作为本发明的进一步改进，所述PVC支柱的数量为三个，三个PVC支柱以PVC圆形支撑板中心圆周阵列固定在PVC圆形支撑板上。

作为本发明的进一步改进，所述电机定子通过强力胶固定粘结在金属板下方，所述电机主轴穿过金属板。

作为本发明的进一步改进，所述弹簧采用铜制弹簧。

作为本发明的进一步改进，所述电极的电极点与金属板上表面之间的初始距离为15毫米。

作为本发明的进一步改进，所述金属板与地面连接，起到接地电极的作用。与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：

1.本发明可以在一定范围内任意改变电极旋转速度，通过旋转速度的差异探究空间电荷在电晕放电中的作用机理，填补了国内在该领域研究的空白。

2.本发明结构简易，体型较小，方便试验。

附图说明

附图1是本发明模型前视结构示意图；

附图2是本发明模型俯视结构示意图；

附图3是本发明试验电路示意图；

附图4是Quickfield模拟的反应器模型内部电场的二维结构图；

附图5是Quickfield模拟结果的电场强度图；

附图6是固定电极电晕放电连续波形图；

附图7是固定电极电晕放电单个波形图；

附图8是旋转电极电晕放电单个波形图。

其中，11支撑底板、12支柱、13金属板、14顶板、15电机定子、16电机主轴、17第一铜棒、18电极、19第二铜棒、20弹簧、21螺丝、22旋转圆筒。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

如图1和2所示，一种电晕放电研究模型，包括绝缘支撑架、固定安装在绝缘支撑架中部的金属板13、固定在金属板13下方中心位置的电机定子15、固定连接在电机定子15的电机主轴16上的旋转圆筒22、固定连接在旋转圆筒22侧面的旋转电极以及穿过旋转圆筒22顶部中心与旋转电极相接触的第二铜棒19；

所述旋转圆筒22为绝缘材质，并位于金属板13上方。

进一步的，所述绝缘支撑架包括支撑底板11、固定在支撑底板11上的支柱12以及固定在支柱12上端并位于第二铜棒19上方的的顶板14；

所述第二铜棒19的顶端与顶板14之间连接有弹簧20，以对第二铜棒19提供压力，以确保电极快速旋转时，两个铜棒始终保持接触，实现导电。

进一步的，所述顶板14的中心设置有与弹簧20相连通的螺丝21，所述螺丝21用来连接高压电源，从而实现点端电极在高速旋转的同时稳定连接高压电。进一步的，所述旋转电极包括插入旋转圆筒22侧面的第一铜棒17以及连接在第一铜棒17末端的电极18；所述电极18向下弯曲，其电极点与金属板13上表面相对；具体的，第一铜棒17的长度为16厘米，所述电极18的电极点与金属板13上表面之间的初始距离为15毫米。

进一步的，所述支撑底板11和顶板14均为PVC圆形板，所述支柱12为PVC支柱，所述旋转圆筒22为PVC圆筒；具体的，PVC圆形板的直径为400厘米。进一步的，所述PVC支柱的数量为三个，三个PVC支柱以PVC圆形支撑板中心圆周阵列固定在PVC圆形支撑板上。

进一步的，所述电机定子15通过强力胶固定粘结在金属板13下方，以保证电机定子15在高速旋转时的稳定，所述电机主轴16穿过金属板13。

进一步的，所述弹簧20采用铜制弹簧，金属板13和螺丝21均采用铜制材料。本模型中所采用的铜制部件可以导通高压电。

进一步的，所述金属板13与地面连接，起到接地电极的作用。

如图3所示，本发明的试验电路是由高压直流电源、大电阻、电抗器和小电阻串联构成电路。两个示波器分别用来测量电路的总电压和总电流。电源可提供电压范围应不低于20kv。大电阻阻值1mΩ用于保护设备防止短路，小电阻150Ω用来测量电路电流。

Peek定律为计算同轴圆柱模型内导体表面的阈值电场强度提供了公式：

(E_r)_s＝E₀mδ[1+k/(δr)^1/2]

其中(E_r)_s是阈值场强，E₀＝31kV/cm(空气击穿场强值)，m是一个导体表面粗糙度系数介于0.6<m<1，

δ＝0.392p/(273+T)(δ＝1，forp＝760Torr，T＝25℃)，k＝0.308cm^1/2，r是导体的半径。对于点半是模型，曲率半径取导体半径的1/2，即

考虑到实验的可操作性和实验室条件，利用上述公式，电极曲率半径应在0.01mm～0.1mm之间。阈值电场强度在1.66*105V/cm至4.58*105V/cm之间。

由于制作工艺，旋转电极的曲率半径与设计值必然存在一定偏差，所以采用实物测量方法确定电极曲率半径的实际值。将厚度已知的铝箔和电极放在显微镜下，调整显微镜直到照片清晰，然后拍照打印。因为铝箔的厚度是已知的，铝箔和电极在一张图上。我们可以测量图中的电极半径，并与图中的铝箔尺寸进行比较，就可以得到真实的电极曲率半径。按照上述办法测量，本模型电极半径约为0.05mm。

在确定了结构和参数后，使用quickfield软件进行仿真，对反应器模型内部电场进行初步的观察。

如图4所示，Quickfield模拟的反应器模型内部电场的二维结构图，上面的线(点)表示高度弯曲的电极，它的长度是24um。下线表示接地电极，接地电极比上线长很多(2.5cm)。上下两条线间距为1.4cm。将上层线路设置电压为5kv，块空间介电常数为1(空气)。

如图5所示，Quickfield模拟结果的电场强度图，最高的电场在高度弯曲的电极周围，强度为34.5kv/cm，略大于最小的大气击穿电压31kv/cm。仿真结果与计算结果基本一致。

如图6-8所示，利用本发明模型进行试验过程如下：

1)使用该电晕放电生成模型完成稳定电极的电晕放电全过程。在装置顶端的铜螺丝上接通高电压，并缓慢提高电压强度。随着电源电压的增加，出现示波器出现电流脉冲，电晕放电开始。当电压达到一定值时，出现电晕流光。当电压达到一定值时，两极间的空气层被完全击穿，形成火花放电。由于正负电晕放电的作用机理不同，试验应包含正电晕放电和负电晕放电。

2)打开电机电源，使其带动电极旋转。通过改变电机电压来改变其转速。测量转速的方法可通过在PVC轴上粘贴反光铝箔，在电极旋转后，用光电/接触式转速表向铝箔位置发送一束光，当电抗器旋转一圈时，铝箔会反射到光电/接触式转速表上，并显示转速，再通过转速乘以旋转半径得到电极移动的线速度。重复在不同转速下随着电压提升，电晕放电从形成到击穿的全过程。

3)通过对比非旋转电极与旋转电极、不同转速旋转电极下电晕放电波形数据的区别，发现电极转速与正负电晕放电阈值电压、击穿电压之间的关系，从而分析在电晕放电过程中空气中电离出的空间电荷在放电过程中的作用机理。

以上所述实例表达了本发明的优选实施例，描述内容较为详细和具体，但并不仅仅局限于本发明；特别指出的是，对于本领域的研究人员或技术人员来讲，在不脱离本发明的结构之内，系统内部的局部改进和子系统之间的改动、变换等，均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电晕放电研究模型，其特征在于：包括绝缘支撑架、固定安装在绝缘支撑架中部的金属板（13）、固定在金属板（13）下方中心位置的电机定子（15）、固定连接在电机定子（15）的电机主轴（16）上的旋转圆筒（22）、固定连接在旋转圆筒（22）侧面的旋转电极以及穿过旋转圆筒（22）顶部中心与旋转电极相接触的第二铜棒（19）；

所述旋转圆筒（22）为绝缘材质，并位于金属板（13）上方。

2.根据权利要求1所述的一种电晕放电研究模型，其特征在于：所述绝缘支撑架包括支撑底板（11）、固定在支撑底板（11）上的支柱（12）以及固定在支柱（12）上端并位于第二铜棒（19）上方的的顶板（14）；

所述第二铜棒（19）的顶端与顶板（14）之间连接有弹簧（20），以对第二铜棒（19）提供压力。

3.根据权利要求2所述的一种电晕放电研究模型，其特征在于：所述顶板（14）的中心设置有与弹簧（20）连接的螺丝（21），所述螺丝（21）用来连接高压电源。

4.根据权利要求1所述的一种电晕放电研究模型，其特征在于：所述旋转电极包括插入旋转圆筒（22）侧面的第一铜棒（17）以及连接在第一铜棒（17）末端的电极（18）；所述电极（18）向下弯曲，其电极点与金属板（13）上表面相对。

5.根据权利要求2所述的一种电晕放电研究模型，其特征在于：所述支撑底板（11）和顶板（14）均为PVC圆形板，所述支柱（12）为PVC支柱，所述旋转圆筒（22）为PVC圆筒。

6.根据权利要求5所述的一种电晕放电研究模型，其特征在于：所述PVC支柱的数量为三个，三个PVC支柱以PVC圆形支撑板中心圆周阵列固定在PVC圆形支撑板上。

7.根据权利要求1所述的一种电晕放电研究模型，其特征在于：所述电机定子（15）通过强力胶固定粘结在金属板（13）下方，所述电机主轴（16）穿过金属板（13）。

8.根据权利要求2所述的一种电晕放电研究模型，其特征在于：所述弹簧（20）采用铜制弹簧。

9.根据权利要求4所述的一种电晕放电研究模型，其特征在于：所述电极（18）的电极点与金属板（13）上表面之间的距离为15毫米。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种电晕放电研究模型，其特征在于：所述金属板（13）与地面连接，起到接地电极的作用。