CN113484703A - 一种空气式静电放电的测试方法及测试设备 - Google Patents

一种空气式静电放电的测试方法及测试设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及静电、气体放电和流体力学技术领域，特别是涉及一种空气式静电放电的测试方法及测试设备，将电极移动速度这一复杂影响因素转化为单一的空气流速，将运动的盐雾这一复杂影响因素转化静止盐雾和流速的影响，同时将流速的影响通过对比消除，能有效解决测量结果低重复性的问题。

Description

一种空气式静电放电的测试方法及测试设备
技术领域
本发明涉及静电、气体放电和流体力学技术领域，特别是涉及一种空气式静电放电的测试方法及测试设备。
背景技术
在空气式静电放电中，电极移动速度影响放电参数，引起测量结果低重复性。该因素和气体压强、温度、湿度等多个因素同时作用，是导致国际电磁兼容标准迄今尚无空气式静电放电测试标准的主要原因。在电极移动过程中，难以保证其他因素始终不变，难以使用控制变量法探究电极移动速度这一复杂影响因素。
在空气式静电放电中，盐雾影响放电参数，引起测量结果低重复性。在添加盐雾的试验中，盐雾需要使用人工制造的手段释放，但人工的盐雾制造装置释放的盐雾具有一定的流速，该流速难以测量且其对放电结果的影响难于预测，因此本方法加入额外的流速控制装置来消除人工盐雾初始流速的影响，从而控制单一变量来进行盐雾试验研究。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种空气式静电放电的测试方法及测试设备，将电极移动速度这一复杂影响因素转化为单一的空气流速，将运动的盐雾这一复杂影响因素转化静止盐雾和流速的影响，同时将流速的影响通过对比消除，能有效解决测量结果低重复性的问题。
本发明是通过采用下述技术方案实现的：
一种空气式静电放电的测试方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一：将电极移动速度等效转化为空气流速：调整放电间隙的空气流速va，使得空气流速va等于电极移动速度ve；
步骤二：保持静电放电发生器的电极缓慢移动，进行静电放电，并记录静电放电电流波形，分析电极移动速度对静电放电的影响。
一种空气式静电放电的测试方法，其特征在于：用于评估盐雾对静电放电的影响，具体还包括以下步骤：
步骤三：开启盐雾制造装置，使得盐雾制造装置制造的盐雾在放电间隙的流速与步骤一中的空气流速va相同，将盐雾自身流速转化为空气流速；
步骤四：保持静电放电发生器的电极缓慢移动，进行静电放电，并记录静电放电电流波形；
步骤五：对比步骤二和步骤四得到的电流波形，分析已知流速的盐雾对静电放电的影响。
一种空气式静电放电的测试方法，其特征在于：所述步骤一中将电极移动速度等效转化为空气流速是预先通过仿真与试验对比验证后得到的，具体包括：
a.根据气动学原理指出电极速度和空气流速的关系，然后对电极速度对空气放电结果进行理论分析，建立初步的空气流速和电极移速之间的等效关系；
b.建立仿真模型，计算固定电极下，改变空气流速时的放电结果；
c.然后搭建测试平台，通过改变电极移速的试验方法直接测试电极速度影响的放电电流结果；
d.将仿真与测试获得的放电电流结果进行对比和误差分析；
e.验证得到该等效方法，即空气流速va等于电极移动速度ve。
一种空气式静电放电的测试设备，其特征在于：包括静电放电发生器、法拉第笼、电流靶、空气流速发生器和驱动静电放电发生器移动的驱动件；所述电流靶位于法拉第笼前板上；所述静电放电发生器包括能更换的电极，所述电极垂直于电流靶的靶平面；所述空气流速发生器用于控制放电间隙的空气流速。
还包括滑轨，所述静电放电发生器与滑轨滑动连接。
所述静电放电发生器通过支架与滑轨滑动连接。
所述驱动件为伺服电机，还包括用于调节伺服电机转速的电机驱动调速器，所述电机驱动调速器的输出端与伺服电机的输入端相连。
还包括空气流量计，所述空气流量计用于检测放电间隙的空气流速。
还包括温度控制装置和湿度控制装置。
还包括盐雾制造装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
1、本发明中，通过将电极速度等效为空气流速的方法，一方面可以降低由于静电放电发生器和滑轨相对运动产生的系统误差，另一方面可以扩大速度测控区间，对快速移动的电极发生空气击穿的情形进行测控。
同时，将电极速度等效为空气流速后，可以不用严格控制电极沿电流靶靶平面的法线方向运动，通过可控流速的空气流速发生器产生的空气流速才是实际放电间隙发生放电的等效速度，因此消除了电极本身速度与实际法向速度存在偏差的影响。
2、通过本发明中的盐雾测试方法，可以消除盐雾制造装置的系统误差，通过对比试验结果可以对不同浓度及不同流速的盐雾环境对放电结果的影响进行测控。
3、本测试设备包括空气流速发生装置，将电极移动速度这一复杂影响因素转化为单一的空气流速，使得试验中易于使用控制变量法评估电极移动速度对静电放电的影响。
4、通过本设备，能评估电极移动速度对静电放电的影响，并且评估结果重复性高，更加准确。也可以通过对比的方法，验证其他变量对静电放电的影响，例如盐雾，评估结果相对于现有技术，同样更加准确。
5、还包括温度控制装置和湿度控制装置，便于控制环境温度和环境湿度，使得测试结果更加准确。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明中测试设备的结构示意图一；
图2为本发明中测试设备的结构示意图二；
图3为电极表面总数密度随流量变化图；
图4为不同流速下电流仿真部分结果展示；
图5为电极速度试验扩展不确定度的示意图；
图6为电极速度试验电流峰值的示意图；
图7为电极速度电极上升时间的示意图；
图8为电极速度电流峰值误差图；
图9为电极速度上升时间误差图；
图10为静电放电发生器的结构示意图；
图中标记：
1、支撑件，2、静电放电发生器，3、法拉第笼，4、电流靶，5、空气流速发生器，6、电机驱动调速器，7、驱动件，8、电源滤波器，9、接地点，10、滑轨，11、支架，12、盐雾制造装置。
具体实施方式
实施例1
作为本发明基本实施方式，本发明包括一种空气式静电放电的测试方法，用于评估电极移动速度对静电放电的影响。具体包括以下步骤：
步骤一：将电极移动速度等效转化为空气流速：调整放电间隙的空气流速va，使得空气流速va等于电极移动速度ve.
步骤二：保持静电放电发生器2的电极缓慢移动，进行静电放电，并记录静电放电电流波形，分析电极移动速度对静电放电的影响。
实施例2
作为本发明一较佳实施方式，本发明包括一种空气式静电放电的测试方法，用于评估盐雾对静电放电的影响，具体还包括以下步骤：
步骤一：将电极移动速度等效转化为空气流速：调整放电间隙的空气流速va，使得空气流速va等于电极移动速度ve。
步骤二：保持静电放电发生器2的电极缓慢移动，进行静电放电，并记录静电放电电流波形，分析电极移动速度对静电放电的影响。
步骤三：开启盐雾制造装置12，使得盐雾制造装置12制造的盐雾在放电间隙的流速与步骤一的空气流速va相同，将盐雾自身流速转化为空气流速。
步骤四：保持静电放电发生器2的电极缓慢移动，进行静电放电，并记录静电放电电流波形。
步骤五：对比步骤二和步骤四得到的电流波形，分析已知流速的盐雾对静电放电的影响。
实施例3
作为本发明最佳实施方式，参照说明书附图1，本发明包括一种空气式静电放电的测试设备，包括支撑件1、静电放电发生器2、法拉第笼3、电流靶4、空气流速发生器5、空气流量计、温度控制装置、湿度控制装置、电机驱动调速器6和驱动静电放电发生器2移动的驱动件7。所述法拉第笼3上还设有电源滤波器8和接地点9，所述电流靶4位于法拉第笼3前板上。
参照说明书附图10，所述静电放电发生器2包括充电电阻Rc、储能电容Cs、分布电容Cd、放电电阻Rd、电压指示器、放电开关、充电开关、可更换的电极、放电回路线缆和电源装置。所述支撑件1上设有滑轨10，所述静电放电发生器2通过支架11与滑轨10滑动连接。静电放电发生器2安装完成后，所述电极垂直于电流靶4的靶平面。
所述驱动件7为伺服电机，所述电机驱动调速器6的输出端与伺服电机的输入端相连。所述电机驱动调速器6通过自身线缆连接到滑轨10，通过电机驱动调速器6来控制滑轨10移速，试验时将静电放电发生器2固定在滑轨10上，通过电机驱动调速器6控制静电放电发生器2的移动速度。
所述空气流速发生器5可以固定在法拉第笼3前板的电流靶4附近，利用空气流量计测量电流靶4前端1～3cm间隙的空气流速，此范围即为实际发生空气放电的放电间隙。对于空气流速发生器5，可以采用两种方式进行控制：
(1)可以采用固定流速的空气流速发生器5，通过控制吹风口的遮挡面积来控制放电间隙的空气流速。
(2)采用电压可控的空气流速发生器5，通过空气流速发生器5控制放电间隙流速，流速控制的精度通过查阅控制系统相关说明书获得。
利用上述测试设备实现的一种空气式静电放电的测试方法，具体包括以下步骤：
步骤一：将电极移动速度等效转化为空气流速：通过空气流速发生器5调整放电间隙的空气流速va，使得空气流速va等于电极移动速度ve；
步骤二：保持静电放电发生器2的电极缓慢移动，所述缓慢移动的速度区间为0-0.1m/s，此时电极的缓慢移动不会对附近的空气流动产生影响，流速控制装置产生的空气流速即为实际放电中放电电极的等效速度。然后进行静电放电，并记录静电放电电流波形，分析电极移动速度对静电放电的影响。
其中，所述步骤一中将电极移动速度等效转化为空气流速是预先通过仿真与试验对比验证后得到的，具体包括：
a.根据气动学原理指出电极速度和空气流速的关系，然后对电极速度对空气放电结果进行理论分析，建立初步的空气流速和电极移速之间的等效关系。
气体的相对性原理指出，电极具有一定速度向受电体移动时，由于电极和周围气体的相对运动，电极速度ve和空气流速va应具有以下关系：
ve＝va (1)
在对影响空气放电结果的电极速度因素进行测控时，由于电极和滑轨10的相对运动，会导致随着电极速度增大，测试仪器的系统误差难以控制，因此通过气体的相对性原理，考虑利用空气的相对流速va来替代电极本身的移速ve进行等效试验，以此来提高电极速度测控范围及精度。
在明确电极速度ve和空气流速va的等价关系后，首先利用气动学原理对速度效应进行分析，研究电极移速影响机理及规律，为后续仿真及试验的对比验证奠定理论基础。
连续性原理反应了流速与截面积的大小关系：
V1ΔS1dt＝V2ΔS2dt＝const (2)
ΔS1和ΔS2分别表示流管不同位置横截面积，V1和V2为两处的流速。在同一流管中，速度与横截面积成反比。
Bernouli定理指出了电极移动过程中两点间流速、压强和高度的关系：
Figure BDA0003132918630000061
其中ρ表示气体分子的密度，g为地球重力加速度，取流管上高度相同的两点可将公式变形如下：
Figure BDA0003132918630000062
由于ΔS1＜ΔS2，可知v1＞v2，因此压强关系为P1＜P2，说明在流管内同一高度的两个不同横截面，流速与压强成反比。
关于空气击穿场强阈值，Peek发现了圆柱电极击穿空气的场强公式，也就是著名的Peek公式。此公式后续被修正，添加了湿度的影响，修正后的Peek公式形式为：
Figure BDA0003132918630000063
式中，E0可取27.7kV/cm；m0为与放电针表面粗糙度有关的常数，放电针表面越粗糙，m0越小；H为空气湿度，H＞11g/m3(≤11g/m3时影响忽略不计)；r为半球形电极半径，cm；δ为相对空气密度，与温度和压强有关可表示为
Figure BDA0003132918630000064
因此Peek公式指出，电极的移速效应会影响放电的间隙的压强，压强变化导致间隙空气密度变化，最终影响的空气击穿的场强阈值。
另外结合气动学原理分析可得，当电极快速向放电靶移动时，气体流动形成流管，导致放电间隙压强降低，同时电极间场强增大，使得放电电流增大。当压强降低时，电子碰撞次数减小，能量损失程度降低，场强增大使得空气分子电离程度增加，从而导致放电电流增大。电极慢速移动时，空气状态几乎不发生改变，放电参数与静止情况下几乎相同。
b.建立仿真模型，计算固定电极下，改变空气流速时的放电结果。
依据标准给出的电极尺寸，利用COMSOL建立放电枪前端电极模型如下，该模型由一个半径r1＝6mm，长度d1＝26mm的圆柱，一个底半径r2＝6mm，顶半径r3＝4mm，长度d2＝20mm的圆锥体，和一个半径r4＝4mm的半球体组成。
在该模型下，保持电极静止，在空气腔上下壁加入流动的空气，通过控制空气流速来等效电极移动，从而对不同流速下电极表面放电电流进行仿真。仿真时对电极速度进行参数扫描，从初始速度vfirst＝0.1m/s开始，设置步长Δv＝0.5m/s，到终止速度vlast＝5.1m/s结束。得到不同电极速度下，放电电极表面的空气分子总数密度详说明书附图3：
根据空气密度和放电电流的关系，参照说明书附图4，最终可得标准空气下电流仿真结果。
由仿真结果发现，电极速度的变化会对其表面空气分子的总数密度产生明显影响，随着空气壁流量增大，电极表面的总数密度也会显著增加。同时，电极速度的变化会对放电电流产生显著影响，随着电极速度增加，空气放电的电弧能量更集中，从而产生更快的上升时间和更高的电流峰值，因此电极的快速移动会产生更强烈的电磁脉冲干扰；此外电极速度增加会使放电能量耗散更快，放电电流在达到峰值后会以更快的速度衰减，因此电极速度加快同时会加速整个放电过程，符合理论分析规律。
c.然后搭建测试平台，通过改变电极移速的试验方法直接测试电极速度影响的放电电流结果。
通过控制电极速度的方法进行试验验证，试验过程尽量保证在室内环境进行，降低大气流速对试验结果的影响。
在获得不同电极速度下的放电电流数据后，参照说明书附图5，首先根据标准要求对放电结果的峰值电流、上升时间、30ns电流及60ns电流进行不确定度评估，评估结果符合标准要求的范围时，才可以认为本次电极速度试验获得的电流结果可信。
标准指出空气放电应满足的不确定度范围如下：
①上升时间tr：MU≤15％
②峰值电流Ip：MU≤10％
③30ns时的电流I30：MU≤10％
④60ns时的电流I60：MU≤10％
根据上述数据的不确定度评定可知，本次试验空气放电试验结果符合标准要求的不确定度范围。因此对电极速度的测控结果进行进一步分析。
在该试验配置下，改变电极移速，获得不同移速下的放电电流结果，参照说明书附图6和说明书附图7，根据测试数据，绘制电极速度0～2m/s放电电流的电流峰值和上升时间折线图。
由放电结果折线图可知，随着法向速度增大，峰值电流升高，上升时间加快；同时观察数据表中30ns和60ns的电流数据可知，随着速度增加，虽然电流峰值增大，但放电电流达到峰值后会以更陡峭的下降沿降低。因此电极速度增高加速了放电过程，符合理论研究及仿真规律。
d.将仿真与测试获得的放电电流结果进行对比和误差分析。
仿真结果是以标准情况空气为基础进行的仿真分析，由于试验环境难以控制到标准空气，因此调整仿真参数使其与试验环境一致，对比仿真结果与试验数据的电流峰值及上升时间。以放电电流的仿真值为参考，计算试验结果xtest相对仿真结果xsim的误差，则相对误差表示为：
Figure BDA0003132918630000081
式中，δ为试验结果与仿真结果相对误差，单位为％，xtest表示试验数据的上升时间或电流峰值，xsim表示试验数据的上升时间或电流峰值。
由此，对比仿真结果与试验结果的电流峰值与上升时间，参照说明书附图8和说明书附图9，获得如对比结果的误差分析图。
e.验证得到该等效方法，即空气流速va等于电极移动速度ve。
由误差图可以看出，仅控制流速下的仿真结果与控制电极速度下的试验结果误差控制在10％之内。标准指出，电流峰值与上升时间的试验误差应控制在15％内，由此可认为仿真结果与试验结果一致，说明采用两种不同的控制方法进行速度效应试验测控时可获得相同结果，因此验证了利用空气相对流速对电极速度进行替代试验的等效方法的正确性。
实施例4
作为本发明又一较佳实施方式，参照说明书附图2，本发明包括一种空气式静电放电的测试设备，包括支撑件1、静电放电发生器2、法拉第笼3、电流靶4、空气流速发生器5、空气流量计、盐雾制造装置12、电机驱动调速器6和驱动静电放电发生器2移动的驱动件7。所述法拉第笼3上还设有电源滤波器8和接地点9，所述电流靶4位于法拉第笼3前板上。
所述盐雾制造装置12放置在流速可控的空气流速发生器5附近，通过空气流速发生器5将盐雾制造装置12产生的不确定初速度的盐雾，随吹风系统的固定流速吹入放电间隙，即电流靶4前端1～3cm处。
一种空气式静电放电的测试方法，具体包括以下步骤：
步骤一：将电极移动速度等效转化为空气流速：调整放电间隙的空气流速va，使得空气流速va等于电极移动速度ve。
步骤二：保持静电放电发生器2的电极缓慢移动，进行静电放电，并记录静电放电电流波形，分析电极移动速度对静电放电的影响。
步骤三：开启盐雾制造装置12，使得盐雾制造装置12制造的盐雾在放电间隙的流速与步骤一的空气流速va相同，将盐雾自身流速转化为空气流速。
步骤四：保持静电放电发生器2的电极缓慢移动，进行静电放电，并记录静电放电电流波形。
步骤五：对比步骤二和步骤四得到的电流波形，分析已知流速的盐雾对静电放电的影响。
对于记录的电流波形，重点关注其电流峰值、上升时间、30ns时电流以及60ns时电流。
利用空气流速发生器5产生已知流速的空气，将盐雾制造装置12产生的盐雾颗粒吹入放电间隙，以此保证盐雾的流速可知且可控，由此消除了盐雾制造装置12产生的人工盐雾初始速度不确定性的影响。
此外，改变空气流速多次进行测试，对比步骤二和步骤四，可以观测相同盐雾浓度下盐雾流速对放电结果的影响。改变盐雾浓度多次进行测试，可以观测相同盐雾流速下盐雾浓度对放电结果的影响。
综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种空气式静电放电的测试方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一：将电极移动速度等效转化为空气流速：调整放电间隙的空气流速va，使得空气流速va等于电极移动速度ve；
步骤二：保持静电放电发生器（2）的电极缓慢移动，进行静电放电，并记录静电放电电流波形，分析电极移动速度对静电放电的影响。
2.根据权利要求1所述的一种空气式静电放电的测试方法，其特征在于：用于评估盐雾对静电放电的影响，具体还包括以下步骤：
步骤三：开启盐雾制造装置（12），使得盐雾制造装置（12）制造的盐雾在放电间隙的流速与步骤一中的空气流速va相同，将盐雾自身流速转化为空气流速；
步骤四：保持静电放电发生器（2）的电极缓慢移动，进行静电放电，并记录静电放电电流波形；
步骤五：对比步骤二和步骤四得到的电流波形，分析已知流速的盐雾对静电放电的影响。
3.根据权利要求1或2所述的一种空气式静电放电的测试方法，其特征在于：所述步骤一中将电极移动速度等效转化为空气流速是预先通过仿真与试验对比验证后得到的，具体包括：
a. 根据气动学原理指出电极速度和空气流速的关系，然后对电极速度对空气放电结果进行理论分析，建立初步的空气流速和电极移速之间的等效关系；
b. 建立仿真模型，计算固定电极下，改变空气流速时的放电结果；
c. 然后搭建测试平台，通过改变电极移速的试验方法直接测试电极速度影响的放电电流结果；
d. 将仿真与测试获得的放电电流结果进行对比和误差分析；
e. 验证得到该等效方法，即空气流速va等于电极移动速度ve。
4.一种空气式静电放电的测试设备，其特征在于：包括静电放电发生器（2）、法拉第笼（3）、电流靶（4）、空气流速发生器（5）和驱动静电放电发生器（2）移动的驱动件（7）；所述电流靶（4）位于法拉第笼（3）前板上；所述静电放电发生器（2）包括能更换的电极，所述电极垂直于电流靶（4）的靶平面；所述空气流速发生器（5）用于控制放电间隙的空气流速。
5.根据权利要求4所述的一种空气式静电放电的测试设备，其特征在于：还包括滑轨（10），所述静电放电发生器（2）与滑轨（10）滑动连接。
6.根据权利要求5所述的一种空气式静电放电的测试设备，其特征在于：所述静电放电发生器（2）通过支架（11）与滑轨（10）滑动连接。
7.根据权利要求6所述的一种空气式静电放电的测试设备，其特征在于：所述驱动件（7）为伺服电机，还包括用于调节伺服电机转速的电机驱动调速器（6），所述电机驱动调速器（6）的输出端与伺服电机的输入端相连。
8.根据权利要求4或7所述的一种空气式静电放电的测试设备，其特征在于：还包括空气流量计，所述空气流量计用于检测放电间隙的空气流速。
9.根据权利要求4所述的一种空气式静电放电的测试设备，其特征在于：还包括温度控制装置和湿度控制装置。
10.根据权利要求4所述的一种空气式静电放电的测试设备，其特征在于：还包括盐雾制造装置（12）。
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