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电晕电流及其辐射信号特性的研究

来源：尔游网

　　2008年　　8月

第34卷第8期

高　电　压　技　术

HighVoltageEngineering

Vol.34No.8

Aug.　2008

・1547・

电晕电流及其辐射信号特性的研究

原青云1,刘尚合1,张希军1,高庆生2

(1.军械工程学院静电与电磁防护研究所,石家庄050003;2.武汉士官学校地炮教研室,武汉430075)

摘　要:为得到电晕放电辐射场的时域和频域特征,采用针板结构首先对电晕电流及其辐射场进行了理论分析,然后在此基础上对电晕电流及其辐射信号进行了实验研究。实验表明,电晕电流脉冲波形具有明显的极性效应:①负极性下先发生电晕放电,但正极性放电发生时,脉冲幅值比负极性时大;②负电晕电流脉冲波形的上升时间小于正电晕电流。实验结构不同,电晕放电辐射场的特征不同:利用第①种实验结构得到的放电波形的上升时间为十几个ns,频率分布范围集中在20～100MHz;利用第②种实验结构得到的放电波形的上升时间为几个ns,频率在200～600MHz。该结论对于下一步研究空中带高压物体的电晕放电辐射信号特征具有参考价值。关键词:电晕放电;电流;辐射;信号;时域;频域;极性中图分类号:TM12文献标志码:A文章编号:100326520(2008)0821547205CoronaCurrentandCharacteristicsofRadiatedSignal

YUANQing2yun1,LIUShang2he1,ZHANGXi2jun1,GAOQing2sheng2

(1.Electrostatic&ElectromagneticProtectionInstitute,OrdnanceEngineeringCollege,

Shijiazhuang050003,China;2.FieldArtilleryTeachingandResearchSection,

WuhanOrdnanceN.C.OAcademyofPLA,Wuhan430075,China)

Abstract:Inordertogetthecharacteristicsoftimedomainandfrequencydomainoffieldsradiatedfromcoronadis2charge,theneedle2planeelectrodeisemployedtothetheoreticallyanalyzethecoronacurrentanditsradiatedsignal.Theexperimentsshowthatthepolarityeffectofthewaveformofcoronacurrentpulseisdistinct,1)negativecoronadischargeoccursfirstlyandthepulseamplitudeisshorterthanthatofpositivecorona;2)therisingtimeofpulsewaveformofnegativecoronacurrentissmallerthanthatofpositivecoronacurrent.Thecharacteristicsofradiationfieldfromcoronadischargeisdifferentwhentheexperimentalstructureisdifferent,therisingtimeofdischargewaveformisabout10ns,andthefrequencyrangeisfrom20to100MHzwhenthefirstexperimentalstructureisused;therisingtimeofdischargewaveformisseveralns,andthefrequencyrangeisfrom200to600MHzwhenthesecondexperimentalstructureused.

Keywords:coronadischarge;current;radiation;signal;time2domain;frequency2domain;polarity

0　引　言

电晕放电会产生高频脉冲电流[1],其中还包含许多高次谐波,对无线电和高频通讯造成干扰[226]。故研究电晕电流及辐射场的特征对于控制、利用和抑制电晕放电都具有非常重要的意义。

1　电晕电流的理论分析

1.1　空气中的电晕电流分析

积聚的正负离子决定,同时光电效应会从导体中释

放出新的电子[9],从电晕包中释放出的光子会进一步造成空气的电离。在放电过程中,在电子阶段电流具有非常快的上升沿,而在离子阶段则呈指数衰减。因电子电流对于大部分辐射脉冲的高频段都有作用[7],故此仅研究电子电流,结果如下:

)=Qn0δ(t′)exp((Ap/C1)(1-J(x′,t′-τ

))exp(-C1a))。(1)exp(-C1x′

)为t′式中,J(x′,t′时刻x′点的电流密度;Q为电子

电荷,16102aC;n0为初始电子数密度,cm-3;常数A=1416;p=011MPa;常数C1=160;a=0101cm,为电晕针的半径。

2)C1(2ax′+x′τ=(2)。

2Bpb

式中,电子迁移率b=500cm2/(sV);常数B=365。1.2　导体上电晕电流分析

电晕放电时导体上的电流脉冲为

)=1E(x′)J1(x′)d3x′(3)i(t′,t′。

空气中电子电流密度是通过解一个电子在由带负电的电晕针和接地面板所构成的极不均匀电场中

的汤生方程来计算[7,8]。发生电晕放电时,因电子雪崩现象将在电晕针附近的空气中产生电子和离子电流。电流起初是由电子的移动决定,然后由大量

基金资助项目:国家自然科学基金(60671044)。

ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(60671044).

・1548・Aug.2008

)由式(1)给出。电场分布为式中,J1(x′,t′

)=E(x′

U(a+x′)ln

High　Voltage　EngineeringVol.34No.8　

2l()

。(4)

式中,l为针板间距,U为导体电压,式(4)代入(3):

)=i(t′

i0exp((

Ap)(Bpbt′)-C1a))

1-exp(-C1a2+-aeC1C1。

Bpbt′2

(5)

πd2qn0Bpbi0=。

2lC1ln()

图1　电晕电流脉冲时域特征(6)

Fig.1　Time2domainrepresentationofthe

coronacurrentpulse

式中,d为圆柱体的电晕通道半径。1.3　电晕电流脉冲的电特性参考相关文献[7,10],得出在放电周期中产生的随时间变化的电晕电流脉冲本质上成双指数分布,且可由下式表示:

-αt-βt

(7)I(t)=I0(e-e),t≥0。

β分别为313×式中,I0为电流脉冲的峰值;α、107和914×109。正负电晕电流脉冲的时域特征见图1。1.4　电晕放电辐射场的理论分析

由空气中的电晕电流和导体上的电流产生的辐

射场可分别通过各自的矢势计算得出。矢势方程(方程中的量纲采用的是高斯单位制,下同)为[11]

A1,2(r,t)=

)δ(t′J1,2(x′,t′+

[7]

图2　结构图

Fig.2　Geometry

∫∫

d3x′dt′r-t)c。(8)

)=A(R,ω

)exp(-ikR)dx′)exp(-ikx′)K(ωI(x′cosθ

∫CR

。(12)

下标1为空气中的电晕电流;下标2为圆柱体上的电流。结构见图2。

辐射区的电场可由矢势方程(采用库仑规范即󰂈・A=0,并令Φ=0)得:

15A(9)θ=-E。

c5t

π。(10)相应的磁场强度　Hφ=Eθ/120

区域1中的电场在时域中可直接通过式(8)积分得出。计算结果如下式:

mC3exp(C2exp(-C1a+mt))e1(t)=・22

2cR(a+mt)(C1C2exp(-C1

a+mt)+

)为式(5)定义的电流脉冲的频谱;I(x′)式中,K(ω

是圆柱体上的电流分布;k=ω/c为自由空间波的传

)播常数。根据传输线理论,细圆柱体上的I(x′

为[12]

)=exp(-γ)+T1exp(-γ(2L-x′))+I(x′x′

))+T0T2T0T1exp(-γ(2L+x′1・))+…。exp(-γ(4L-x′

(13)

1a+mt

把式(13)带入到式(12)可以得到区域2中的矢

势。利用式(9)可以得到P点的辐射场强度为

sinkz1Lsinθ)=ωK(ω)(E(R,ω・2exp(-ikR)ikz12Rc

(exp(-ikz1)+T0T1exp(-ik(2L+z1))+…)+(

)sinθ。(11)

式中,m=2Bpb/C1;C2=-Ap/C1;C3=n0πd2Qm・

θexp(-C2exp(-C1a))/2;r󰂕R(1-x′cosβ/R);

πd2dx′d3x′󰂕;x/Rν1。区域2中由圆柱体上的电流产生的辐射场强度可通过频域计算得到。矢势的频域形式为

sinkz2kz2

)(T1exp(ik(2L-z2))+

))。T0T1exp(-ik(4L-z2))+…(14)

式中,L为圆柱体长度;T0、T1分别是圆柱体两端的α+ik,其中α为衰减反射系数;γ为传输线常数,γ=

常数,k是当圆柱体等效为传输线时的相位常数;变

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)/2给出。量z1和z2由式z1,2=L(1±cosθ

通过傅立叶反变换,最终得到辐射场强场(量纲采用国际单位制)为

15()(sinθδ(3δ(32z1)

e(R,t)=itt-t-+

R1+cosθc(tT0T1δ

2L)

(t-T0T1δ

2Lc

2z1c

图3　实验布局

Fig.3　Experimentalsetup

sinθ(δ(32L2z2)

)+…T1t-+-1-cosθcc

(tT1δ

2L)

)),　t3=t-+…

R。c

(15)

2　电晕电流及其辐射信号的实验研究

2.1　电晕电流的实验研究2.1.1　实验布局

用针2球结构对电晕电流进行了实验研究,布局见图3。通过高压直流源在球上加直流高压,在一定距离时使得针对球发生电晕放电,然后通过电流探头CT1(5mV/1mA)和数字存储示波器Teck7404B(带宽4GHz,采样频率20GHz)来测量电流和记录其波形。2.1.2　实验结果及分析图4、5是正、负电晕电流脉冲波形。环境温度23°C,相对湿度65%,充电电压±60kV。实验得出,与正极性电晕放电(放电电压为+314kV)相比,负极性下先发生电晕放电(放电电压为-312kV)。放电过程中,能听到“咝咝”声,闻到臭氧味。从图中可得出,正负电晕电流脉冲波形都具有陡峭的前沿(负电晕上升沿约为1～5ns,正电晕上升沿约为2～15ns),且在缓变的脉冲电流波形上都有数个波动。根据电流探头参数(5mV:1mA),从图中得出正电晕电流峰值为16mA,负电晕电流峰值为512mA,正电晕电流脉冲幅值大于负电晕。

另外,通过实验还发现,随着电压的升高,脉冲频率随之变大。在相同的电压下,负电晕脉冲频率小于正电晕脉冲频率,这与“特里切尔”脉冲频率特性相一致[13,14]。

2.2　电晕放电辐射场特征的实验研究

图5　负电晕放电电流脉冲波形

Fig.5　Waveformofnegativecoronacurrent

图4　正电晕电流脉冲波形

Fig.4　Waveformofpositivecoronacurrent

参考GJB152A297[15]和文[7],作者在室内采用2种实验结构对电晕放电辐射场特征进行了研究。实验布局见图6。第1种实验结构中,放电刷通过高压线由直流高压源直接供电发生电晕放电。第2种实验结构中,电晕放电是通过带电的孤立金属圆盘上的放电刷进行。从严格意义上讲,孤立金属圆盘实际上是不存在的[16]。因金属圆盘悬挂在实验室内,那么它就与周围的物体间存在着分布电容。因一般分布电容很小可忽略,故可以把它看作为准

图6　实验布局

Fig.6　Experimentalset2up

孤立导体。实验中,示波器采用高采样频率的数字

存储示波器Teck7404B,接收天线为对数周期天线(0102～118GHz)。实验时,为了减少实验场地环

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图9　信号波形(第2种实验结构)

图7　信号波形(第1种实验结构)

Fig.7　Signalwaveform(firststructure)

Fig.9　Signalwaveform(secondstructure)图10　信号波形(第2种实验结构)

图8　信号频谱(第1种实验结构)

Fig.8　Signalspectrum(firststructure)

Fig.10　Signalwaveform(secondstructure)

境对实验结果的影响,提高测量的复现性,在实验区域内应清除与实验无关的物体和设备等,与实验无关的人员也须在实验区域外。这样做的目的是尽量减少临近物体对天线的加载效应,减少实验区域内因临近物体和人员位置的变化引起的多径效应[17]。

图7、8是用第1种实验结构得到的信号波形及其相应的频谱;图9、10是用第2种实验结构得到的信号波形及其相应的频谱,充电电压为+80kV。从图7、9中可看出,电晕放电辐射场的时域波形的时域特征表现为一系列的放电脉冲,即形成脉冲群,其中单个脉冲的波形特征类似于衰减振荡,触发后主峰快速衰减,之后出现次峰。根据不同数据2峰时间差相近的性质及相关分析,次相应可能是反射信号。从2图中还可以得出,利用第1种实验结构得到的电晕放电时域波形存在的时间约有300ns,上升时间为十几个ns;利用第2种实验结构得

MHz之间;从图10可看出第2种实验结构得到的

电晕放电的信号频率范围主要集中在200～600MHz。这说明实验结构不同,得到的电晕放电频率分布范围不同。

3　结　论

a)极性不同,电晕电流脉冲波形不同:无论是波

形的上升时间、脉冲幅值还是脉冲重复频率,负电晕电流都小于正电晕。

b)电晕放电辐射场的时域波形的时域特征表现为一系列的放电脉冲,即形成脉冲群,其中单个脉冲的波形特征类似于衰减振荡。并且信号波形具有陡峭的前沿,前沿从几个ns到十几个ns,这说明放电频率分布范围很宽。

c)实验结构不同,电晕放电辐射场的频率分布范围不同。放电刷通过高压线由直流高压源直接供电发生电晕放电时得到的信号频率范围主要集中在20～100MHz;通过带电的孤立金属圆盘电晕放电时得到的信号频率在200～600MHz。

到的电晕放电时域波形存在的时间约有70ns,上升时间为几个ns,这说明电晕放电频率分布范围很宽[18]。从图8可看出,利用第1种实验结构得到的电晕放电的信号频率范围主要集中在20～100

　2008年8月高　电　压　技　术第34卷第8期・1551・

参

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社,2000.

原青云

1979—,男,博士生

从事专业为武器系统与运用工程。研究方向为电磁防护理论与技术

E2mail:qingyuny@163.com

YUANQing2yunPh.Dcandidate刘尚合

1937—,男,中国工程院院士,教授,博导

从事专业为武器系统与运用工程。研究方向:兵器防电磁危害理论与技术。在军内外学术团体担任的职务有:国家自然科学基金委员会信息科学部专家评审组成员;中国人民总装备部科技委兼职

LIUShang2he

委员、学位领导小组成员;中国兵工学会

CAEmember,Professor理事;中国物理学会理事兼静电专业委员

会主任;全军军械仓库安全技术专家组专

家等。主持或完成了国家自然科学基金重点资助项目、863-803项目、兵器科技\"十五\"预研项目及总部重点科研项目多项。先后获国家科技进步一等奖、全国科学大会奖和省部级科技进步一、二等奖9项,教学成果一等奖2项,国家发明专利6项,出版专著3部,发表学术论文

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收稿日期　2007210219　　　　编辑　郭守珠

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