1、电晕电流及其辐射信号特性的研究第 34 卷第 8 期2008 年 8 月高电压技术HighVoltageEngineeringVo1.34NO.8Aug.2008?1547?电晕电流及其辐射信号特性的研究原青云,刘尚合,张希军,高庆生(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: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
2、大;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 2O1O0MHz;利用第种实验结构得到的放电波形的上升时间为几个 ns,频率在 200600MHz.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:TMJ2 文献标志码:A 文章编号:100365202008)08154705CoronaCurrentandCharacteristics0fRadiatedSignalYUANQingyun,LIU
3、Shanghe,ZHANGXi jun,GAOQingsheng(1.ElectrostaticElectromagneticProtectionInstitute,OrdnanceEngineeringCollege,Shiiiazhuang050003,China;2.FieldArtilleryTeachingandResearchSection,WuhanOrdnanceN.C.OAcademyofPIA,Wuhan430075,China)Abstract:InordertOgetthecharacteristicsoftimedomainandfrequencydomainoffi
4、eldsradiatedfromcoronadischarge,theneedleplaneelectrodeisemployedtothetheoreticallyanalyzethecoronacurrentanditsradiatedsigna1.Theexperimentsshowthatthepolarityeffectofthewaveformofcoronacurrentpulseisdistinct,1)negativecoronadischargeoccursfirstlyandthepulseamplitudeisshorterthanthatofpositivecoron
5、a;2)therisingtimeofpulsewaveformofnegativecoronacurrentiSsmallerthanthatofpositivecoronacurrent.Thecharacteristicsofradiationfieldfromcoronadischargeisdifferentwhentheexperimentalstructureisdifferent,therisingtimeofdischargewaveformisabout10ns,andthefrequencyrangeisfrom20to100MHzwhenthefirstexperime
6、ntalstructureisused;therisingtimeofdischargewaveformisseveralns,andthefrequencyrangeisfrom200tO600MHzwhenthesecondexperimentalstructureused.Keywords:coronadischarge;current;radiationsignal;timedomain;frequencydomain;polarity0 引言电晕放电会产生高频脉冲电流 l1,其中还包含许多高次谐波,对无线电和高频通讯造成干扰.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
7、具有非常重要的意义.l 电晕电流的理论分析1.1 空气中的电晕电流分析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 l7.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).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 lg,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,
8、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,故此仅研究电子电流,结果如下:I,(,t)=Qn08(t 一 r)exp(Ap/c1)(1 一exp(一 Cl)exp(一 Cla).(1)式中,I,(,t)为 tt 时刻点的电流密度 ;Q 为电子电荷,16.02aC;n.为初始电子数密度,cm 矗.;常数 A一14.6;P 一 0.1MPa;常数 Cl 一 16O;一 0.01cm,为电晕针的半径.r 一.(2)一一.式中,电子迁移率 6:500cm/(sV);常数 B 一 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
9、i(f)一 IE(z)J】(,f)d.(3)HighVoltageEngineeringVo1.34No.8式中,J(,t) 由式(1)给出.电场分布为一.(4)式中,z 为针板间距 ,U 为导体电压,式(4) 代入(3):i(t,一Xp()(1-exp(-G/平 2_Bpbt)ae_Bp,bt.(5)Zo 一 Cln(.= 一 oO,)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7,101,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:I()一 Io(e-“一 e-),t0.(7)式中,.为电流脉冲的峰值;a,分别为 3.31
10、0 和9.410.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A1.2(r,)一.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 一 0,并令一 0)得:E.一一.(9)相应的磁场强度 H 一 E./120n.(10)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:P1()_mC3exp(zC2exp口(-+C1蒯)-/T/t)-?(c1C2exp(-Cl/
11、口+m)+兰二)sin0.(11)4a+,式中,一 2Bpb/C1;C2 一一 Ap/C1;C3ondOm?exp(一 C2exp(一 C1 口)/2;r 竺 R(1 一 COSpo/R);d.兰 7【dx;x/R1.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.矢势的频域形式为图 1 电晕电流脉冲时域特征Fig.1Time-domainrepresentationofthecoronacurrentpulsedx:图 2 结构图Fig.2GeometryP1,t)区域 l气中的电电流脉冲K(c,)exp(-/kR)IdxJ(z)exp(-/kxcosA(R,cc,)一 J
12、一 .(12)式中,K(叫) 为式 (5)定义的电流脉冲的频谱;,()是圆柱体上的电流分布;忌一叫/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,()为I(x)一 exp(一 7x)+T1exp(一 Y(2L)+T.T1exp(一 Y(2L+)+ToT?exp(一 7(4L)+.(13)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E(跏)一 eXp(一 ikR)iwK(?(exp(一/kz1)+ToTlexp(一旋(2L+21)+)+()(Tlexp(ik(2L 一 2)+Texp(一 ik(4L 一 2)+).(14)式中,
13、L 为圆柱体长度;T.,T 分别是圆柱体两端的反射系数;),为传输线常数,),_卜走,其中 a 为衰减常数,k 是当圆柱体等效为传输线时的相位常数;变HighVoltageEngineeringVo1.34No.80.030.020.01:四0.00.0.01.0.021?0罂 0.50.60.00.51.01.52.0t/i.tS图 7 信号波形(第 1 种实验结构)Fig.7Signalwaveform(firststructure)00.20.40.60.81.0_厂/GHz图 8 信号频谱(第 1 种实验结构)Fig.8Signalspectrum(firststructure)境对实
14、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口.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
15、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口.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 20100音粤音趔粤图 9 信号波形(第 2 种实验结构)Fig.9Signalwaveform(secondstructure)图 10 信号波形(第 2 种实验结构)Fig.10Signalwaveform(secondstructure)MHz 之间 ;从图 10
16、 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 200600MHz.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20100
17、MHz;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.2008 年 8 月高电压技术第 34 卷第 8 期?1551?参考文献1马峰,霍善发 ,公崇江.静电灾害防护M.陕西:陕西科学技术出版社,1997.2张海锋,庞其昌 ,陈秀春.高压电晕放电特征及其检测J.电测与仪表,2006,43(482):68.ZHANGHaifeng,PANGQichang,CHENGXiuchun.ThecharacteristicsofhighvoltagecoronaanditsdetectionJ.Electrica1MeasureinentInstrumentation,200
18、6,43(482):68.3张文海.电晕放电及其危害J.大众科技,2005(6):35.ZHANGWenhai.CoronadischargeanditshazardsJ.DaZhongKeji,2005(6):35.4TannerRL,NaneviczJE.PrecipitationchargingandcoronageneratedinterferenceinaircraftR.MenloPark:StandardResearchInstitute,l961.5隋晓杰,宋守信 .高压输电线路电晕放电分析J.电力建设,2006,27(3):3738.SUIXiaojie,SONGShouxi
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