摘要：在对针板模型施加直流偏置电压的过程中，当环境为密闭空间时，大量的空间电荷随着单一极性的放电而在周围空间形成集聚，一定浓度的环境空间电荷将会对后续放电产生影响。本文阐述了空气中电晕放电单极性空间电荷的产生过程以及其浓度变化关系，分析并验证了空间电荷对针板电晕放电的影响。
1迁移区空间电荷对放电的影响
在电晕放电过程中，由于放电电极暴露在空气中，与离子的复合相对容易。在场强极不均匀的针极处，异极性离子迅速中和而在迁移区留下大量同极性的迁移离子。迁移区场强较弱且距离很长，同极性离子在迁移区形成了特定的运动规律，因此电晕放电脉冲表现出与其他类型放电不同的典型放电特征：在一定电压范围内，电晕放电量，脉冲间隔时间相对更集中。
Trichel注意到规则的负电晕脉冲总是由电极表面上某一特殊的点或区域触发。Gall在实验中发现，电晕放电过程中在尖端处存在极其狭窄地明亮地电离通道，其起始端正是电极尖端上的某一特殊的点。
稳定的电晕脉冲在针极某平坦趋于开始，向阳极形成一个明亮且极窄的电离通道，直径D约为1μm，长度约为10μm。末端连接电晕辉光，较暗环境能够通过肉眼观察。
尖端表面场强
由外加电压，即针极表面的电荷密度决定，电晕放电瞬间，异极性空间电荷进入针极将使表面电荷密度降低，尖端表面场强在电源电流补充较慢时会有一定的削弱，与此同时，迁移区大量同极性空间电荷将显著削弱电离区的场强，二者共同作用使得电离区场强迅速降低而放电停止。随着迁移区离子逐渐迁移至板极，尖端附近场强重新达到空气临界击穿场强Ec而产生下一次放电。电离区场强
由表面电场强度
及空间电荷在电离区形成的畸变场强
同决定，可由公式(1.1)表示。
(1.1)
在电源功率较大且外加电压不变的情况下，可以认为
的大小为恒定值。电离区场强
将由迁移空间电荷场强
唯一决定。由于
与
反相，随着空间电荷的迁移，电离区场强恢复到空气临界击穿场强，下一次电离将随时可能发生。
2迁移区的离子浓度及环境空间电荷的产生
大气压下的空气气体放电产生的带电粒子主要为：正离子包括N+，N2+,O+,O2+等；负离子包括电子，O2-,NO-,NO2-,O3-等。由于电子迁移率远高于离子迁移率，因此在放电过程中，电子将起主导作用。而在放电发生后，电子在弱电场的迁移区减速形成的负离子，以及电离残余的正离子，正负离子在空间的积聚将对后续放电产生影响。针板电极发生正电晕时，电子将快速进入针极消失留下正离子向板极迁移，迁移区主要是正离子。针板电极发生负电晕时，电子崩朝向板极迁移区。电子崩发展到一定距离因为场强减弱速度降低而失去碰撞电离发生的条件，电子逐渐吸附气体分子形成负离子，迁移区主要是负离子。当然，尽管此时迁移区离子浓度主要表现为单极性，但是并不是完全没有其他极性的空间电荷，只是浓度相对而言非常低。
针对典型的针板放电模型，空间电场是原始场与空间电荷产生场强的叠加。可以用泊松方程及连续性方程建立带电粒子随空间、时间的变化规律。典型的针板（棒板）电晕放电间隙离子浓度计算模型及边界条件如图1所示。
综合考虑气体放电化学反应，重庆大学利用该电晕放电计算模型，通过Comsol仿真得到正电晕放电的正负离子浓度分布图如图2所示。在迁移区，可以看出正离子浓度约比负离子浓度高两个数量级。因此空间电荷主要表现为正极性。
图1 计算模型及边界条件的确定
图2正电晕放电间隙间离子浓度仿真结果
西安交大结合二次电离过程，利用该模型对2cm的相对较长间隙的负电晕进行了仿真分析。得到负电晕的正负离子密度分布图如图3所示。在迁移区，负离子浓度较正离子浓度高两个数量级，迁移区表现为负极性。
图3 负电晕放电短间隙间离子浓度仿真结果
由以上结果可以看出，在针板电极模型的放电中，正电晕将产生一个以正离子为主的迁移区，相应的，负电晕将在迁移区产生大量负离子。正负电晕的电离过程及迁移区离子呈单一极性现象。
通常，离子浓度比气体浓度要小得多。在标准状态（NTP）下，气体浓度值约为3×1025个/m3，而离子浓度一般不超过1018个离子/m3。离子间的距离相对于离子和气体分子之间的距离要大得多，离子间静电力的作用很小，离子任然可以认为表现出气体分子的特性。表现为既有分子的热运动效应，也会因为离子浓度分布不均匀而导致扩散。
在相对场强较弱的地方，离子的热运动表现为主要的影响方面，离子在电场中的迁移运动可能只是热运动的一小部分。由上一节的分析可以知道，在针板电晕放电的迁移区单一极性的离子浓度非常大，由于空气中离子的迁移率是常数，尽管此时迁移区场强可能很高，达到104V/cm数量级，大量同极性的离子快速向板极迁移，然而离子在迁移区内的运动任然要充分考虑离子的扩散作用。这种扩散可以理解为与空气分子的无规热运动，也可以认为是离子从高密度的迁移区向周围低离子浓度空间的扩散运动。因此，直流电晕放电的过程中，随着单极性电晕放电时间的增加，迁移区内的离子将向周围空间扩散，当环境为密闭空间时，这种单极性的空间电荷的积聚将影响后续电晕放电的发展，尤其是电晕极性转换的时候。
3残余环境空间电荷对起晕电压的影响
在体积为4L的密闭烧杯中，对针极施加负直流偏置电压，试验在相同室温及湿度环境下进行，针板间隙为10mm典型值。
将电压降至低于起晕电压以下，让其在较大负直流偏置电压作用下产生充分放电，由前面的分析可知，负电晕由于气体离子浓度梯度分布差异的原因，将在周围空间逐渐形成环境空间电荷。
3.1负环境空间电荷对正电晕起晕电压的影响
在对针极施加较长时间的负电晕放电后，测得正电晕的起晕电压最低为7.01kV，这个过程极不稳定，电压越低，放电持续越短时间就停止了；在所有条件不变的正常情况下，开放空间中正电晕的起晕电压为7.22kV；当进行长时间正电晕放电时，正起晕电压则为7.30kV。
3.2正环境空间电荷对负电晕起晕电压的影响
同样，在密闭空间中对针极施加正直流偏置电压，试验在相同室温及湿度环境下进行，表1记录了正环境空间电荷影响下的负电晕放电起晕电压变化。
表1 正环境空间电荷与负电晕起晕电压关系
通过前面的分析，对于环境空间电荷的这一影响结果很容易得到解释：当环境空间电荷与放电电极（针极）的极性相反时，环境空间电荷的场强将加强针极周围场强，使得针极场强在更小的外加电压值情况下就能达到气体电离的临界场强。此时由于放电产生的迁移区的离子极性与环境空间电荷极性相反，环境空间电荷的浓度逐渐降低直至与放电电极极性相同，起晕电压绝对值也就逐渐增大了。但是这个过程必须满足一个条件：有气体放电的发生。实验中发现，尽管在异极性空间电荷的作用下，电晕放电的起晕电压会降低，但是一段时间后，低于正常起晕电压的放电都会停止。也就是说，电晕放电的发生是环境空间浓度改变的主要原因；没有产生放电，则环境空间电荷的浓度较难改变。
4小结
通常人们在研究直流电晕脉冲的过程中，主要精力集中在分析间隙间的电荷迁移过程而并没有考虑环境空间电荷。另外，这种环境空间电荷的影响效果在没有极性变换的时候很难发现。在研究正负电晕发展过程的大量试验中，不管是长时间加直流还是直流偏置的纹波电压，环境空间电荷始终与电极极性相同而没有发生改变：电压升高降低，放电的发展过程基本是相似的，当环境空间电荷与放电电极极性相反时，空间电荷将发挥诱导作用。空间电荷的影响需要充分考虑并加以更深入的研究
论文作者:周年平
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
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