西安交通大学：《高电压绝缘专论》研究生课程教学资源（课件讲稿）15 实验课3-绝缘放电等离子体特性诊断与应用

西安交通大学9XIANJIAOTONGUNIVERSITY高电压绝缘专论-实验课IⅢII绝缘放电等离子体特性诊断与应用西安交通大学电气工程学院先进高电压与等离子体技术研究中心1898

高电压绝缘专论-实验课Ⅲ ——绝缘放电等离子体特性诊断与应用 西安交通大学 电气工程学院 先进高电压与等离子体技术研究中心

目录（1）介质阻挡放电/等离子体射流平台及实验(2)空间电推进地面模拟平台及实验(3)等离子体生物医学与现代农业应用装置及实验-2-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -2- 目录 （1）介质阻挡放电/等离子体射流平台及实验 （2）空间电推进地面模拟平台及实验 （3）等离子体生物医学与现代农业应用装置及实验

高电压与等离子体中心实验室介绍口实验室现拥有多套高压放电等离子体科研平台，支撑探究电晕流柱放电、介质阻挡放电、等离子体射流、液相放电等气/液相介质放电的特性与机理■大气压类辉光放电等离子体实验平台手指电晕流柱放电基础特性实验平台液相放电基础特性实验平台eanbmn-3-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -3- 高电压与等离子体中心实验室介绍 p 实验室现拥有多套高压放电等离子体科研平台，支撑探究电晕流柱放电、介质阻挡放电、等 离子体射流、液相放电等气/液相介质放电的特性与机理。 n 电晕流柱放电基础特性实验平台 n 液相放电基础特性实验平台 n 大气压类辉光放电等离子体实验平台

高电压与等离子体中心实验室介绍口综合利用放电等离子体过程中伴随的光、电、磁、热、机等效应，实验室在现有科研平台上开展等离子体在材料改性、地面电推进、固废绿色回收、能源转换等领域的交叉融合探索。1等离子体改性绝缘材料实验平台■脉冲功率器件考核平台空间电推进地面模拟实验平台1液电效应裂解太阳能电池板资源回收应用UpperElectrode88(HV)-DischargeChannelsPV PanelSamplecreenElectrod(groumd)(b)《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotongUniversity

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -4- 高电压与等离子体中心实验室介绍 p 综合利用放电等离子体过程中伴随的光、电、磁、热、机等效应，实验室在现有科研平台上 开展等离子体在材料改性、地面电推进、固废绿色回收、能源转换等领域的交叉融合探索。 n 液电效应裂解太阳能电池板资源回收应用 n 脉冲功率器件考核平台 n 空间电推进地面模拟实验平台 n 等离子体改性绝缘材料实验平台

高电压与等离子体中心3号巨构1100/3040实验室介绍口利用等离子体中电磁场与活性成分的生物医学效应，实验室开发了多套等离子体技术应用装置，开展等离子体在食品精加工、生物医学、绿色农业等领域的交叉融合探索1电场协同等离子体低温干燥果/种/皮实验装置高电压果蔬汁冷杀菌装置病虫害非农药防治试验平台■等离子体生物医学平台：杀菌消毒、抑制肿瘤、伤口愈合51A388135-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -5- 高电压与等离子体中心3号巨构1100/3040实验室介绍 p 利用等离子体中电磁场与活性成分的生物医学效应，实验室开发了多套等离子体技术应用装 置，开展等离子体在食品精加工、生物医学、绿色农业等领域的交叉融合探索。 n 高电压果蔬汁冷杀菌装置 n 电场协同等离子体低温干燥果/种/皮实验装置 n 病虫害非农药防治试验平台 n 等离子体生物医学平台：杀菌消毒、抑制肿瘤、伤口愈合

实验1：介质阻挡放电/等离子体射流平台及实验大气压等离子体射流（APPJ），He和Ar放电现象的差异性石英玻璃管电极气体入口：ArAPPJHeAPPJ地电板He APPJ易于在9kV施电话高压电摄ATHe.高压电极下游侧11kV产生并发展，极宏观性效应13kV相近ArAPPJ产生于15kVDBD区等离子体17kV“溢流”过地电极，易于在地电极侧发展。19kV8.8μs15kV负放电1HeAPPJ为等离8.9μs微观子体“子弹”形15kV负放电29.0μs态；迥异9.1μs19kV正放电1ArAPPJ为放电9.2μs细丝形态19kV正放电29.3μs19kV负放电9.4μsHeAPPJ等离子体”子弹ArAPPJ单次放电脉冲图像-6-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -6- 实验1：介质阻挡放电/等离子体射流平台及实验 大气压等离子体射流（APPJ），He和Ar放电现象的差异性 Ar APPJ Ø He APPJ易于在 高压电极下游侧 产生并发展，极 性效应； Ø Ar APPJ产生于 DBD区等离子体 “溢流”过地电 极，易于在地电 极侧发展。 He APPJ等离子体”子弹” Ar APPJ单次放电脉冲图像 l He APPJ为等离 子体“子弹”形 态； l Ar APPJ为放电 细丝形态； He APPJ 宏观 相近 微观 迥异

实验1：介质阻挡放电/等离子体射流平台及实验平板介质阻挡放电(DBD)的放电模式转化规律及机制2.50He-DBD466OO丝状-弥散：Townsend放电2.25放电模式演化GND（瞬态阴极2.00HV（瞬态阳极Mutil-channels均匀放电：Townsend一Coupled Mode1.75辉光放电转化GND瞬态阴极1.50Diffuse ModeFilamentary ModeHV（瞬态阳极）1.25丝状：收缩辉光GND（瞬态阴极）Filament-diffuse Mixed Mode0.75呈现4种不同放电模式：丝状、弥散、丝状He-DBD:0.50弥散混合、多通道耦合，其中弥散、多通道为均匀放0.51.52.02.54.51.03.03.54.0GapDistance (mm)电，涉及Townsend放电和辉光放电2种机理Ar-DBD放电模式演化Ar-DBD:始终呈现为细丝放电其机理为流注(Streamer）放电随看电压提升（1mm气隙）-7-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -7- 实验1：介质阻挡放电/等离子体射流平台及实验 He-DBD： 呈现4种不同放电模式：丝状、弥散、丝状 -弥散混合、多通道耦合，其中弥散、多通道为均匀放 电，涉及Townsend放电和辉光放电2种机理 丝状-弥散：Townsend放电 均匀放电：Townsend→ 辉光放电转化 丝状：收缩辉光 He-DBD 放电模式演化 平板介质阻挡放电（DBD）的放电模式转化规律及机制 Ar-DBD： 始终呈现为 细丝放电， 其机理为流 注(Streamer) 放电 随着电压提升（1mm气隙） Ar-DBD 放电模式演化

实验1：介质阻挡放电/等离子体射流平台及实验揭示了HeAPPJ的动态演化过程及形成机制空气维形界面区高电离数率区）纯He外围空气地电板高压电视He实心态6.4kV中空形态2mm10mmmm8mmOmm2mm22mm24mm26mm14mm16mm18mm20mm28mm发现：等离子体呈”中空环”形态，空壳传播，距管口数十mm后转变至实心认为：He与N2（空气中）交界面的Penning电离效应导致以这一现象-8-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotongUniversity

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -8- 实验1：介质阻挡放电/等离子体射流平台及实验 认为：He与N2(空气中)交界面的Penning电离效应导致以这一现象。 发现：等离子体呈”中空环”形态，空壳传播，距管口数十mm后转变至实心。 揭示了He APPJ的动态演化过程及形成机制

实验2：地面电推进平台及实验动能化学推进物质内能燃烧等途径比冲低、推力大电推进电能动能比冲高、推力小不同途径电推进静电式M5电热式电磁式++NYM?电子回旋共振离子推力器射频电源中和器电子轰击式离子推力器磁等离子体动力推力器脉冲等离子体推力器电阻加热式推力器电弧加热式推力器微波加热式推力器场发射离子推力器射频天线0QO0射频离子推力器胶质离子推力器霍尔推力器ArAr气体工质屏栅 (正高压）加速栅（负高压）?α&口电推进技术凭借其比冲高、推力小的特点，可应用于长距离深空探测中的姿态调整与方向控制；-射频离子推力器（RIT）具有原理简单、推力范围广、调制能力强、无内电极工作寿命长的优势，受到广泛关注-9-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotongUniversity

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -9- 实验2：地面电推进平台及实验 化学推进 电推进 物质内能 燃烧等途径 动能 电能 不同途径 动能 比冲低、推力大 比冲高、推力小 p 电推进技术凭借其比冲高、推力小的特点，可应用于长距离深空探测中的姿 态调整与方向控制； p 射频离子推力器（RIT）具有原理简单、推力范围广、调制能力强、无内电极、 工作寿命长的优势，受到广泛关注

实验2：地面电推进平台及实验真空舱口电推进实验舱屏棚加速栅屏蔽罩口供气系统耦合线圆0000收集栅射频功率传输系统图放电体图栅极直流电源系统进气道ooP等离子体诊断系统■■辅助测量设备减压限及流量计同轴负直流电池电缆88测量射频电源及匹配器正直流电源电阻8888实验平台实物图实验平台示意图13.56MHz射频电源与匹配器mpedans朗缪尔探针离子能量分析仪射频探测器栅极直流电源等离子体诊断设备和射频探测器-10-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -10- 实验2：地面电推进平台及实验 实验平台实物图 实验平台示意图 13.56MHz射频电源与匹配器 栅极直流电源 朗缪尔探针 射频探测器 等离子体诊断设备和射频探测器 离子能量分析仪 p 电推进实验舱 p 供气系统 p 射频功率传输系统 p 栅极直流电源系统 p 等离子体诊断系统 p 辅助测量设备