Влияние параметров барьера и приложенного напряжения на характеристики импульсного поверхностного разряда

  • Вадим Вадимович Воеводин
  • Марина Владимировна Соколова
  • Виктор Роальдович Соловьев
  • Николай Юрьевич Лысов
DOI: https://doi.org/10.24160/0013-5380-2020-11-17-27
Ключевые слова: поверхностный разряд, импульсное напряжение, диэлектрическая проницаемость, напряжение зажигания разряда, излучение газового разряда, техника высоких напряжений

Аннотация

Представлены результаты экспериментального исследования импульсного поверхностного раз­ряда в электродной системе, выполненной на базе диэлектрической пластины. На одной стороне пластины располагался коронирующий электрон из медной фольги толщиной 50 мкм, заземленный через токовый шунт для измерения разрядного тока. На другой стороне пластины располагается высоковольтный электрод, на который подавалось напряжение от генераторов импульсов. В ста­тье даны результаты измерений начального напряжения и размеров зоны поверхностного разряда в воздухе при воздействии одиночных импульсов напряжения с разной крутизной фронта импульса в диапазоне 0,1—3,4 кВ, на и амплитудой в диапазоне 7—15 кВ. Измерения выполнены для разных материалов диэлектрического барьера со значениями е от 2 до 35. Толщина диэлектрического барьера составляла 0,9—1,8 мм. Показано сильное влияние на начальное напряжение зажигания поверхностного разряда параметров импульса напряжения, влияние характеристик барьера выраженбо слабее. Установлено, что разряд имеет разную длину разрядной зоны и разную струк­туру в зависимости от свойств диэлектрического барьера и параметров воздействующего напря­жения. Размеры стримерной зоны уменьшаюся с ростом значения е материала барьера при неиз­менной крутизне фронта импульса напряжения и возрастают с увеличением крутизны для каждо­го материала барьера. Полученные для широкого диапазона внешних условий данные могут быть использованы при численном моделировании разряда.

Биографии авторов

Вадим Вадимович Воеводин

научный сотрудник кафедры техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН) НИУ «МЭИ».

Марина Владимировна Соколова

кандидат техн. наук, ведущий научный сотрудник кафедры ТЭВН НИУ «МЭИ», диссертацию защитила в 1970 г.

Виктор Роальдович Соловьев

кандидат физ. мат. наук, доцент, кафедры прикладной физики Московского физикотехнического института, диссертацию защитил в 1982 г.

Николай Юрьевич Лысов

старший преподаватель кафедры ТЭВН НИУ «МЭИ».

Литература

1. Toepler M. Zur Kenntnis der Gesetze der Gleitfunkenbildung. – Ann. Physik, 1906, vol. 21, pp. 193–222.

2. Boeuf J.P., Lagmich Y., Pitchford L.C. Contribution of positive and negative ions to the electrohydrodynamic force in a dielectric barrier discharge plasma actuator operating in air. – J. Appl. Phys., 2009, № 106, 023115.

3. Soloviev V.R., Krivtsov V.M. Surface barrier discharge modeling for aerodynamic applications. – J. Phys. D: Appl. Phys, 2009, № 42, 125208.

4. Babaeva N.Yu., Tereshonok D.V., Naidis G.V. Fluid and hybrid modeling of nanosecond surface discharges: effect of polarity and secondary electrons emission. – Plasma Sources Sci. Technol, 2016, № 25, 044008.

5. Zhu Y., Shcherbanev S., Baron B., Starikovskaia S. Nanosecond surface dielectric barrier discharge in atmospheric pressure air: I. Measurements and 2D modeling of morphology, propagation and hydrodynamic perturbations. – Plasma Sources Sci. Technol, 2017, № 26, 125004.

6. Soloviev V.R., Krivtsov V.M., Shcherbanev S.A. and Starikovskaia S.M. Evolution of nanosecond surface dielectric barrier discharge for negative polarity of a voltage pulse. – Plasma Sources Sci. Technol., 2017, № 26, 014001.

7. Hua W., Fukagata K. Near-surface electron transport and its influence on the discharge structure of nanosecond-pulsed dielectric-barrier discharge under different electrode polarities. – Phys. Plasmas, 2019, № 26, 013514.

8. Соколова М.В., Темников А.Г., Кривов С.А. О механизме взаимодействия поверхностного электрического разряда с диэлектрическим барьером. – Электричество, 2010, № 7, с. 10–19.

9. Митин А.Н., Соколова М.В. Влияние структуры поверхности твердого диэлектрика на электрическое поле вблизи границы раздела воздух-барьер. – Письма в ЖТФ, 2012, № 10, с. 50–56.

10. Stepanyan S.A., Starikovskiy A.Yu., Popov N.A. and Starikovskaia S.M. A nanosecond surface dielectric barrier discharge in air at high pressures and different polarities of applied pulses: transition to filamentary mode. – Plasma Sources Sci. Technol, 2014, № 23, 045003.

11. Soloviev V.R. Analytical estimation of the thrust generated by a surface dielectric barrier discharge. – J. Phys. D: Applied Physics, 2012, № 45, 025205.

12. Pietsch G.J. and Saveliev A. Some properties of the barrier discharges on the dielectric surfaces. – Proc. 14th Int. Conf. on Gas Discharges and their Applications, 2002, Liverpool, UK, pp. 183–6.

13. Gibalov V.I., Pietsch G.J. The Development of Dielectric Barrier Discharges in Gas Gaps and on Surfaces. – J. Phys. D: Appl. Phys, 2000, № 33, 2618-2636.

14. Soloviev V.R. Analytical model of the surface dielectric barrier discharge development. – Plasma Physics Rep., 2019, № 45, vol. 3, pp. 264–276.

15. Benard N., Moreau E. Electrical and mechanical characteristics of surface AC dielectric barrier discharge plasma actuators applied to airflow control. – Exp. Fluids, 2014, № 55, 1846.

16. Kriegseis J., Grundmann S. and Tropea C. Power consumption, discharge capacitance and light emission as measures for thrust production of dielectric barrier discharge plasma actuators. – Journal of Applied Physics, 2011, № 110, 013305.

17. Moralev I., Boytsov S., Kazansky P., Bityurin V. Gas-dynamic disturbances created by surface dielectric barrier discharge in the constricted mode. – Exp. Fluids, 2014, № 55, 1747.

18. Корякова З.В. Керамические материалы в СВЧ-технике. – Компоненты и технологии, 2011, № 5, с. 15–17.

19. Khomich V.Yu., Malashin M.V., Moshkunov S.I. Static and transient voltage sharing in high voltage stacked IGBT switch. – International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM 2016), June 22–24, 2016, Anacapri, Italia.

20. Murooka Y., Takada T. and Hiddaka K. Nanosecond surface discharge and charge density evaluation Part I: review and experiments. – IEEE Electrical Insulation Magazine, 2001, № 17, No 2, p. 6–16.

21. Sokolova M., Mitin A., Nosova J. A complex method to analyze dielectric barrier surface discharge in air. – 31th International Conf. on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), July 14–19, 2013, Granada Spain.

22. Soloviev V.R., Krivtsov V.M. Numerical modelling of nanosecond surface dielectric barrier discharge evolution in atmospheric air. – Plasma Sources Sci. Technol., 2018, No. 27, 114001.

#

1. Toepler M. Zur Kenntnis der Gesetze der Gleitfunkenbildung. – Ann. Physik, 1906, vol. 21, pp. 193–222.

2. Boeuf J.P., Lagmich Y., Pitchford L.C. Contribution of positive and negative ions to the electrohydrodynamic force in a dielectric barrier discharge plasma actuator operating in air. – J. Appl. Phys., 2009, No. 106, 023115.

3. Soloviev V.R., Krivtsov V.M. Surface barrier discharge modeling for aerodynamic applications. – J. Phys. D: Appl. Phys, 2009, No. 42, 125208.

4. Babaeva N.Yu., Tereshonok D.V., Naidis G.V. Fluid and hybrid modeling of nanosecond surface discharges: effect of polarity and secondary electrons emission. – Plasma Sources Sci. Technol, 2016, No. 25, 044008.

5. Zhu Y., Shcherbanev S., Baron B., Starikovskaia S. Nanosecond surface dielectric barrier discharge in atmospheric pressure air: I. Measurements and 2D modeling of morphology, propagation and hydrodynamic perturbations. – Plasma Sources Sci. Technol, 2017, No. 26, 125004.

6. Soloviev V.R., Krivtsov V.M., Shcherbanev S.A. and Starikovskaia S.M. Evolution of nanosecond surface dielectric barrier discharge for negative polarity of a voltage pulse. – Plasma Sources Sci. Technol., 2017, No. 26, 014001.

7. Hua W., Fukagata K. Near-surface electron transport and its influence on the discharge structure of nanosecond-pulsed dielectric-barrier discharge under different electrode polarities. – Phys. Plasmas, 2019, No. 26, 013514.

8. Sokolova M.V., Temnikov A.G., Krivov S.A. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity) , 2010, No. 7, pp. 10–19.

9. Mitin A.N., Sokolova M.V. Pis’ma v ZhTF – in Russ. (Letters to ZhTF) , 2012, No. 10, pp. 50–56.

10. Stepanyan S.A., Starikovskiy A.Yu., Popov N.A. and Starikovskaia S.M. A nanosecond surface dielectric barrier discharge in air at high pressures and different polarities of applied pulses: transition to filamentary mode. – Plasma Sources Sci. Technol, 2014, No. 23, 045003.

11. Soloviev V.R. Analytical estimation of the thrust generated by a surface dielectric barrier discharge. – J. Phys. D: Applied Physics, 2012, No. 45, 025205.

12. Pietsch G.J. and Saveliev A. Some properties of the barrier discharges on the dielectric surfaces. – Proc. 14th Int. Conf. on Gas Discharges and their Applications, 2002, Liverpool, UK, pp. 183–6.

13. Gibalov V.I., Pietsch G.J. The Development of Dielectric Barrier Discharges in Gas Gaps and on Surfaces. – J. Phys. D: Appl. Phys, 2000, No. 33, 2618–2636.

14. Soloviev V.R. Analytical model of the surface dielectric barrier discharge development. – Plasma Physics Rep., 2019, No. 45, vol. 3, pp. 264–276.

15. Benard N., Moreau E. Electrical and mechanical characteristics of surface AC dielectric barrier discharge plasma actuators applied to airflow control. – Exp. Fluids, 2014, No. 55, 1846.

16. Kriegseis J., Grundmann S. and Tropea C. Power consumption, discharge capacitance and light emission as measures for thrust production of dielectric barrier discharge plasma actuators. – Journal of Applied Physics, 2011, No. 110, 013305.

17. Moralev I., Boytsov S., Kazansky P., Bityurin V. Gas-dynamic disturbances created by surface dielectric barrier discharge in the constricted mode. – Exp. Fluids, 2014, No. 55, 1747.

18. Koryakova Z.V. Komponenty i tekhnologii – in Russ. (Components and technologies), 2011, No. 5, pp. 15–17.

19. Khomich V.Yu., Malashin M.V., Moshkunov S.I. Static and transient voltage sharing in high voltage stacked IGBT switch. – International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM 2016), June 22–24, 2016, Anacapri, Italia.

20. Murooka Y., Takada T. and Hiddaka K. Nanosecond surface discharge and charge density evaluation Part I: review and experiments. – IEEE Electrical Insulation Magazine, 2001, No. 17, No 2, pp. 6–16.

21. Sokolova M., Mitin A., Nosova J. A complex method to analyze dielectric barrier surface discharge in air. – 31th International Conf. on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), July 14–19, 2013, Granada Spain.

22. Soloviev V.R., Krivtsov V.M. Numerical modelling of nanosecond surface dielectric barrier discharge evolution in atmospheric air. – Plasma Sources Sci. Technol., 2018, No. 27, 114001

Опубликован
2020-08-06
Выпуск
№ 11 (2020): Выпуск № 11
Раздел
Статьи