摘 要

低温等离子体具有非平衡性和独特的低温诱导下物理和化学反应的能力，在环境污染控制，燃料生产和催化剂改性等领域引起了学者越来越大的兴趣。低温等离子体有很多发生方式，目前研究较多的等离子体发生方式为电晕放电和介质阻挡放电，然而他们也有各自的缺陷。滑动弧放电是一种新型的等离子体发生方式，他的结构也比较简单，造价成本比较低，操作起来也更方便。

滑动弧放电等离子体是一种周期性的非平衡等离子体，等离子体发生电路，气体流速，输入功率，电源频率，添加水蒸气的浓度都会对滑动弧放电特性产生比较明显的影响。目前，国内外针对大气压直流滑动弧放电特性以及平衡-非平衡特性展开了研究。而对于交流滑动弧放电特性的研究比较少，所以本文针对高频交流电源激励下气体流速，气体功率，电源频率，添加水蒸气的浓度对滑动弧放电特性的影响展开了研究。

本次毕业设计分别在中心频率为5kHz和10kHz的高频交流电源的激励下进行，通过控制气体流速分别为2L/min、2.5L/min、3L/min、3.5L/min、4L/min，控制输入功率分别为30W、45W、60W、75W、90W，探究N₂环境下气体流速和输入功率对滑动弧放电特性的影响；根据饱和蒸气压原理利用鼓泡法将气体通入装有水的集气瓶，通过调节恒温水浴锅的设定温度来调节通入反应器中N₂的水蒸气浓度分别为2500ppm、5000ppm、7500ppm、10000ppm、12500ppm。实验过程中通过相机，高压探头，电流线圈，数字示波器和光谱仪分别从物理特性和化学特性对滑动弧放电的放电特性进行诊断。

结果表明气体流速，输入功率，电源频率，添加水蒸气的浓度对滑动弧放电的击穿电压，放电强度有影响。通过选择合适的气体流速，输入功率，电源频率来优化放电性能，对滑动弧放电等离子体在实际工程中的应用有很重要的意义。

关键词：低温等离子体 滑动弧放电 放电特性

Effect of Power Supply Frequency on AC Sliding Arc Discharge Characteristics of Atmospheric Pressure

Abstract

Low-temperature plasma has non-equilibrium and unique ability to induce physical and chemical reactions under low temperature. It has attracted more and more interest in the field of environmental pollution control, fuel production and catalyst modification. There are many ways to generate low-temperature plasma. At present, there are many plasma generation methods for corona discharge and dielectric barrier discharge. However, they also have their own defects. Sliding arc discharge is a new type of gas discharge plasma generation method, and its structure is also simple, the cost is relatively low, and it is more convenient to operate.

The sliding arc discharge plasma is a periodic non-equilibrium plasma. The plasma generation circuit, the gas flow rate, the input power, the power frequency, and the added water vapor concentration all have a significant effect on the sliding arc discharge characteristics. At present, the characteristics of atmospheric DC gliding arc discharge and the balance-unbalanced characteristics have been studied at home and abroad. However, there are few studies on AC sliding arc discharge characteristics. Therefore, in this paper, the effects of gas flow rate, gas power, power frequency, and the concentration of added water vapor on the characteristics of sliding arc discharge are studied.

The graduation design was conducted under the excitation of a high-frequency AC power source with a center frequency of 5 kHz and 10 kHz. The control gas flow rates were 2 L/min, 2.5 L/min, 3 L/min, 3.5 L/min, and 4 L/min, respectively. Control input power is 30W, 45W, 60W, 75W, and 90W, respectively, to investigate the influence of the gas flow rate and input power on the characteristics of the sliding arc discharge in the N₂ environment; use the bubbling method to pass the gas into the set containing water according to the principle of saturated vapor pressure In the gas bottle, the water vapor concentration of N₂ introduced into the reactor was adjusted to 2500 ppm, 5000 ppm, 7500 ppm, 10000 ppm, and 12500 ppm by adjusting the set temperature of the constant temperature water bath. During the experiment, the discharge characteristic of the sliding arc discharge was diagnosed from the physical and chemical characteristics through cameras, high-voltage probes, current coils, digital oscilloscopes and spectrometers.

The results show that the gas flow rate, input power, power frequency, and the concentration of added water vapor have an effect on the breakdown voltage and discharge intensity of the sliding arc discharge. Selecting the proper gas flow rate, input power, and power frequency to optimize the discharge performance is of great significance to the application of the sliding arc discharge plasma in practical engineering.

Key words: Low temperature plasma; Sliding arc discharge; Discharge characteristics.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 等离子体技术 1

1.1.1 等离子体的概念 1

1.1.2 低温等离子体发生方式 1

1.2 滑动弧等离子体技术 2

1.2.1 滑动弧气体放电现象 2

1.2.2 滑动弧放电物理特性 2

1.2.3 滑动弧放电的化学应用 3

1.3 课题研究的现状和发展趋势 3

1.3.1 课题研究的现状 3

1.3.2 研究现状的分析 6

1.4 本论文的主要研究内容及意义 6

第二章 实验装置和方法 7

2.1 滑动弧反应器的结构 7

2.2 实验系统的建立 7

2.3 放电特性分析方法 8

第三章 物理特性分析 9

3.1 运动路径 9

3.2 电气特性 10

3.2.1 气体流速对电气特性的影响 10

3.2.2 输入功率对电气特性的影响 13

3.2.3 电源频率对电气特性的影响 15

3.2.4 水蒸气浓度对电气特性的影响 16

3.3 本章小结 18

第四章 光谱诊断来进行化学特性研究 19

4.1 气体流速对放电特性的影响 19

4.2 输入功率对放电特性的影响 22

4.3 电源频率对放电特性的影响 25

4.4 水蒸气浓度对放电特性的影响 26

4.5 本章小结 29

第五章 总结 30

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1 等离子体技术

1.1.1 等离子体的概念

等离子体是一种复杂的气态物质，在气体发生部分电离或完全电离后产生高活性物质，由自由基，被激发原子，离子和分子组成了等离子体。等离子体也是物质在自然界中存在的一种形态，除了常见的气体，液体，固体之外，等离子体也被学者认可为物质的第四态。气体在电离过程中，正电荷和负电荷总是一起出现，而且它们总数也差不多相等，所以在宏观上等离子体近似地呈现电中性。而由于等离子体具有带电性，所以它与气体，液体，固体这三态还是有着很大的区别。

由于等离子体具有一些显著的优点，比如价格便宜，产生垃圾少，污染小，并且等离子体通过产生高能电子以及激发的离子、原子和分子，促进化学反应的进行，实现很高的化学转化效率，因此等离子体已经应用于环境保护，生物医学，能源转化和等离子体点火等领域，应用前景非常广泛。等离子体技术也成为了热门研究项目。

1.1.2 低温等离子体发生方式

等离子体包括低温等离子体和热等离子体，因为气体放电产生的等离子体大部分都是低温等离子体，我们主要对低温等离子体展开研究。在低温等离子体中，总的气体热动力学温度保持较低，而电子是高能的，典型的电子温度为1~10eV。大气压低温等离子体由于其非平衡性和独特的低温诱导下物理和化学反应的能力，在环境污染控制，燃料生产和催化剂改性等领域引起了学者越来越大的兴趣。

目前有很多种方式可用于产生低温等离子体，包括电晕放电，介质阻挡放电和滑动弧放电等，总的来说它们都属于气体放电。电晕放电是当金属电极两侧电压上升到较高的水平时周围的气体会被击穿，产生放电。电晕放电的强度影响因素包括电晕电极的形状不同和电介质的不同。因为电晕放电是大气压下不均匀电场的局部放电，所以电晕放电处理效率较低。介质阻挡放电是在通过在放电电场中插进一层绝缘材料来阻隔气体，并对其施加足够高的交流电压或者脉冲电压，在电压的作用下，物质释放高能电子，高能电子将空气中的分子，原子电离，由于绝缘介质阻挡电离的速度，气体以微量的程度放电。介质阻挡放电发生装置简单，可以在常压下产生稳定的等离子体，适用于大规模的工业运作，但它的能量利用率有待提高，而且对电极光滑度有很高的要求。滑动弧放电通过在一对电极上施加高压来产生。直流滑动弧放电回路中需要串接外部分压电阻，造成了能量损耗，不适于工业应用；而对于交流滑动弧放电，能耗低，可以用于CO₂重整CH₄制备合成气的研究等等，应用比较广泛。

1.2 滑动弧等离子体技术

其他低温等离子体技术都有各自的缺点，滑动弧放电等离子体技术也就具有一些优势，它可以应用在大气流量的场合，并且结构也很简单，因此成为了等离子体研究热点之一。滑动弧放电具有很高的灵活性，可以在高范围的气体流量和高功率水平（高达几千瓦）下工作。值得注意的是，滑动电弧可以在纯气相或气液相（湿气或液体喷雾）中形成。这些显着的特点满足了等离子驱动化学工艺的高生产率和良好适应性的要求，如废气流和液体中有机污染物的破坏^[4]。

1.2.1 滑动弧气体放电现象

滑动弧放电这项技术并不复杂，在两片或者多片刀型电极下方安置一个喷嘴，从喷嘴中通入气体，并且在电极间输入高电压，当电压上升到气体的击穿电压时，此处的气体被击穿，形成电弧，电弧被从喷嘴喷出的气体推动并沿着气流方向运动，电弧的弧根在电极表面滑动，受电极外形的影响，随着电弧间距的增大，电弧长度不断增长，电弧长度最终达到临界值，这时电弧熄灭，同时在电极间最窄处会重新击穿形成新的电弧，并重复上述过程^[5]。这就是滑动弧放电现象，滑动弧放电等离子体区域就在这个周期性过程中形成，并且很稳定。

1.2.2 滑动弧放电物理特性

滑动弧放电过程主要包括三个阶段，分别为气体击穿阶段，平衡阶段和非平衡阶段^[6]。首先是击穿阶段，在电极两边输入高电压并通入气体，电压上升提供了足够大的电场强度来击穿气体，在电极间距最窄处的气体被击穿并形成电弧。在平衡阶段，气体击穿产生电弧后，等离子体术随着气流方向移动。滑动弧放电在平衡阶段电流相对较大而电压则很低，单位长度的电弧消耗的能量是固定不变的，随着放电的进行，电弧间距变大，受电极外形的影响，电弧长度变大，电弧消耗的总的能量变大，电源提供的电能不能弥补电弧的热量损失，这时平衡状态被打破。因为单位长度下电弧的功率在减小，而总的电弧功率在增大，这时可以发现电弧的长度急速变长来满足功率的要求。在非平衡阶段，电弧将继续他的变化，这个阶段电场强度相对于平衡阶段更高，而单位热损失远小于平衡阶段，电子浓度降低。

1.2.3 滑动弧放电的化学应用

滑动弧放电低温等离子体由于其非平衡性和独特的低温诱导下物理和化学反应的能力，在环境污染控制，燃料生产和催化剂改性等领域引起了学者越来越大的兴趣。滑动弧放电过程中形成稳定的等离子体区域，总的气体热动力学温度保持较低，而电子是高能量的，典型的电子温度为1〜10eV，这足以使惰性分子分解并产生高活性的物质：自由基，被激发原子，离子和分子。这种等离子体的非平衡特性可以克服化学反应（例如干重整）中的热力学障碍，并且能够在大气压和低温下发生热力学条件下不易发生的反应。滑动弧放电在有机废气和有机废水处理方面效率很高，产生的副产物基本为二氧化碳和水蒸气，无污染。增大气流量和供给电能可以有效提高降解效果^[7]。另外滑动弧放电等离子体也广泛应用在在天然气重整制取合成气，等离子体点火等领域，应用前景一片光明。

1.3 课题研究的现状和发展趋势

1.3.1 课题研究的现状

杜长明等以气液滑动弧放电为等离子体发生方式，分析了放电电压、电流等物理参数和电弧移动的典型特性。通过示波器进行电信号测量对电弧电压变化规律进行研究，用相机拍摄发光图像来探索单根电弧的运动轨迹。还通过Elenbass-Heller方程建立滑动弧放电理论模型，来研究各个因素对放电特性的影响^[8]。

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