电晕放电与电光测量技术进展

基于阶跃与三角波自动化测量——大分大学等机构（Kanazawa 等人）对针-板电极体系的系统研究与应用启示

关键词
电晕放电,阶梯电压,自动化测量,流星放电,辉光,Trichel脉冲,电晕辐射,EHD,静电除尘器,离子风

在锅炉、钢铁、水泥与浆纸等高排放行业，静电除尘器（ESP）依赖电晕放电（corona discharge）为颗粒带电以实现高效捕集，因此对电晕放电的可控性、放电模式与离子风（EHD）特性研究具有直接的工程价值。来自日本大分大学与其合作单位的研究团队（S. Kanazawa 等）提出并系统化了一套基于阶梯（ramp）与三角波电压的自动化测试方法，用于高通量、可重复地获取电晕起始电压、模式转换电压、I–V 特性、模态迟滞以及光学与流场信息[1,2,11]。

该研究在典型的针－板电极间（针尖曲率约30 µm、间隙10 mm）施加由函数发生器和高压放大器产生的线性上升/快速回落的阶梯或三角波，通过串接20 MΩ限流电阻和10 kΩ分流电阻，结合高压探头与示波器采集电压电流波形，并使用 Python 自动化程序在相同工况下连续记录100 次以上的放电事件以获得统计分布。光学方面，团队用光谱仪、ICCD 相机和高灵敏数码相机实现了放电的全色和时分辨成像；用 Schlieren 与 PIV 技术观测由离子风产生的气流场[11,20]。

主要实验发现包括：正极性辉光向流星（streamer）模式转换时出现突发大电流脉冲，流星起始电压在重复试验中的均值约为 +4.16 kV（标准差 0.08 kV）；负极性出现 Trichel 脉冲起始均值约 −2.96 kV（标准差 0.08 kV），而向无脉冲辉光转换的电压约 −6.06 kV（标准差 0.13 kV）。光谱分析显示在辉光与流星模式下可见 N2 二次正系统、N2+ 一次负系统以及 NO、N2 一次正系统等谱线，放电肉眼色彩与谱线成分一致。Schlieren 可视化揭示针尖轴线向下的离子风，靠近极板处径向扩展形成环状循环，而流星模式会使气流强度骤增（放电功率可提升十倍以上），这对 ESP 的电场与流场耦合设计提出了新的考虑[11,20,24]。

工程意义方面，本方法快速获得的大样本统计数据能为电除尘器运行策略提供量化依据：通过选择合适极性与电压波形，可在减少高能量流星放电（减少臭氧与局部过热、降低设备应力）的同时维持高带电效率，从而实现节能降耗与延长电极寿命。这对浆纸、钢铁、水泥、化工行业实现更稳定的排放达标尤为重要。结合艾尼科（Enelco）在极板/极线优化、电场分布调节、多针－网格电极布局与在线监测方面的技术积累，可以将这些实验成果转化为工程方案：例如通过优化针尖形貌与间距、局部场强调控以及在线电晕模式识别与闭环控制，降低运行电流波动与运行维护成本，并在多工况下维持颗粒捕集效率。

展望方面，基于阶梯与三角波的自动化测量方法为构建“放电图谱”（discharge diagram）提供了可行路径，结合环境参数（温湿度、气体成分）可实现放电模式的在线预测与智能调控。未来可将此类诊断与厂级 DCS/EMS 系统集成，配合 AI 优化策略，实现对 ESP 的能效与达标排放双重保障，推动我国重点行业的绿色低碳转型。

作者与单位：S. Kanazawa, T. Mitsui, A. Kuno, T. Furuki, K. Tachibana, R. Ichiki（大分大学创新工学系）；T. Sato（东北大学）；M. Kocik（波兰科学院流体力学所）；J. Mizeraczyk（格丁尼亚海事大学）。经费支持：部分由日本学术振兴会（JSPS）资助[11]。

参考文献
[1] Loeb LB. Electrical Coronas. University of California Press, Berkeley and Los Angeles (1965).
[2] Meek JM, Craggs JD. Electrical Breakdown of Gases. John Wiley & Sons (1978).
[11] Tachibana K., Koshiishi T., Furuki T., Ichiki R., Kanazawa S., Sato T., Mizeraczyk J. A new measurement method of DC corona-discharge characteristics using repetitive ramp and triangular voltages. J. Electrostatics. 108, 103525 (2020).
[20] Shimamoto S., Kanazawa S., Ohkubo T., Nomoto Y., Mizeraczyk J., Chang J.-S. Flow visualization and current distributions for a corona radicals shower reactor. J. Electrostatics. 61, 223-230 (2004).
[24] Moreau E., Audier P., Orriere T., Benard N. Electrohydrodynamic gas flow in a positive corona discharge, J. Appl. Phys. 125, 133303 (2019).