利用坡升电压重新认识电晕放电：从“老技术”到新测量平台

基于日本大分大学等团队的最新实验研究，透视电晕起始、电晕模式与EHD气流可视化的新进展

关键词
Corona discharge,Ramp voltage,Automatic measurement,Streamer,Glow,Trichel pulse,Corona emission,EHD,Electrostatic precipitator,Flue gas cleaning

在大气压非平衡等离子体三大典型放电形式中，电晕放电、阻挡放电和等离子体射流构成了当前工业烟气治理和等离子体应用的主力框架[1–6]。其中，电晕放电作为静电除尘器（ESP）中颗粒荷电的核心机理[7,8]，在电力、钢铁、水泥等行业已经应用了近百年。然而，随着超低排放、深度脱除颗粒物和气态污染物的需求不断提升，如何在工程尺度上真正“看清楚”电晕起始、电晕模式演化以及电晕风（EHD气流）的细节，正在成为工业环保领域的新技术风向标。

近期，日本大分大学（Oita University）创新工学系的S. Kanazawa团队联合东北大学、波兰科学院机械流体研究所和格丁尼亚海事大学等单位，系统发展了一套面向电晕放电的“综合测量平台”。他们的研究成果发表于《Deepening of the Study of Corona Discharges by Recent Advances of Electrical and Optical Measurement Techniques》一文中。该团队利用可编程函数信号源和高压放大器产生重复坡升和三角波电压，叠加高速电测与光学测量，实现了对针–板电极间正负电晕在一个电压扫描周期内从起始到击穿前的“全景式”观察，为ESP及相关电晕应用提供了可工程化的参数获取新思路。

在实验装置方面，研究采用典型的针–板电极系统：一根曲率半径约30 μm的钨针置于直径70 mm的黄铜平板中心，两电极间距10 mm。高压侧串接20 MΩ镇流电阻以限制异常击穿电流，接地侧通过10 kΩ分流电阻测量电流信号。与传统缓慢手动调节直流高压不同，他们通过函数信号源与高压放大器，编程产生从0 V线性上升到设定峰值、再快速回到0 V的重复坡升电压（上升约49 ms、下降约1 ms，重复频率20 Hz），分别加载正、负极性，在同一气象条件下连续获得上百个放电事件的电压–电流波形数据。整个过程由Python程序自动控制和采集，实现了电晕特性参数的批量统计分析。

在正极性电晕下，采用传统直流缓慢升压时，平均I–V特性通常可以用形式为 I = A·V(V − V_onset) 的经验公式描述，A为与电极结构和介质条件相关的常数，V_onset为电晕起始电压。但当正电晕由辉光模式向流注模式过渡时，脉冲电流成分急剧增强，整体I–V曲线偏离该经验公式，使得用单一曲线难以描述不同模式区间。通过坡升电压，研究者在正电压约+4.0 kV附近清晰观测到大幅电流尖峰的出现，这一拐点对应辉光向流注的模式转换。利用重复坡升电压，在同一环境条件下连续记录100个周期的电压–电流波形，并自动识别每个周期中流注电晕首次出现的电压值，可得到流注起始电压的统计分布：在13 °C、相对湿度约49%、1010 hPa条件下，流注起始电压均值约4.16 kV，最大值4.39 kV、最小值4.00 kV，标准偏差约0.08 kV，波动水平在2%左右。对于工程设计而言，这类统计结果比单次测量的“标称值”更接近实际运行状态，也为后续建立“电晕放电图谱”提供了数据基础。

在负极性电晕方面，团队同样比较了传统直流测量与坡升电压测量的差异。负电晕以Trichel脉冲和无脉冲辉光两大典型模式为主，其平均I–V曲线整体上较正电晕更接近期望公式形式，说明在宽电压范围内表现出较好的“可标定性”。在施加重复负坡升电压时，研究者发现在约−3.0 kV附近开始出现密集且重复性良好的电流尖峰，对应典型Trichel脉冲的形成；随着电压进一步升高，这些尖峰的峰值逐渐降低，并在约−6.0 kV以下基本消失，系统转入负无脉冲辉光状态。通过同样的自动识别方法，得到Trichel脉冲起始电压和向无脉冲辉光转变电压的双重统计分布：在13 °C、相对湿度47%、1010 hPa条件下，Trichel脉冲起始电压均值约−2.96 kV，标准偏差约0.08 kV；Trichel脉冲消失电压均值约−6.06 kV，标准偏差约0.13 kV，波动同样在2%量级。对于ESP一次侧、二次侧故障诊断和高压电源优化而言，这类模式转换点的统计数据具备直接的参考价值。

在光学诊断方面，团队结合光纤+会聚透镜的光谱采集系统和高灵敏数码相机，对电晕发光进行了光谱和全彩成像。对于正辉光电晕（约+9.4 kV），在290–430 nm波段内，可以清晰观察到以N2第二正带系（C^3Π_u → B^3Π_g）和N2+第一负带系（B^2Σ_u^+ → X^2Σ_g^+）为主的发射谱线，宏观上表现为针尖附近淡淡的蓝紫色薄膜状辉光。当电压提升到流注模式（约+10.5 kV）时，谱线结构发生明显拓展：在200–290 nm及600–900 nm波段出现额外的谱峰，分别对应NO(A^2Σ^+→X^2Π)和N2第一正带系（B^3Π_g→A^3Σ_u^+）[22]。与之同步的可见光图像中，则可看到横跨间隙的明亮红色流注通道，其颜色分布与光谱成分高度一致。

对于负无脉冲辉光电晕（约−10.7 kV），其光谱特征在主线种类上与正流注电晕相似，同样以N2和N2+带系及NO发射为主，但图像形态上呈现出经典文献所描述的“扇形扩展”结构[1,2]。过往教科书多以黑白照片或示意图呈现这些形态，而本次工作首次用高灵敏彩色成像系统给出了清晰的彩色照片，有助于工程人员直观理解不同电晕模式下放电通道和空间发光区域的分布差异。

在EHD（电流体动力学）气流方面，研究团队通过Schlieren光学系统（包括高亮卤素灯、双凹面镜、刀口和数码相机）对电晕风进行了可视化。结果显示，在正辉光电晕稳态条件下，针尖轴线上方形成明显的向下气流，这股气流在靠近平板电极附近逐渐转换为沿平板表面径向扩散，整体气流结构呈现“甜甜圈”式环形循环。这一流场特征与数值模拟结果高度一致[23]，表明针–板电晕可以在局部空间内产生相当规整的强制对流结构。而当辉光向流注模式转变后，施加同样电压条件下的放电功率提升超过一个数量级，Schlieren图像中可以看到更加剧烈、非定常的扰动结构，EHD气流呈现更强的脉动和湍动特征[24,25]。对于以电晕风实现极板间气流均布、烟道局部强化混合甚至局部冷却和干燥增强的工业应用[20,21,26]，这些可视化结果提供了重要的实验支撑。

从整体上看，该研究最大的贡献在于：将“重复坡升/三角波高压+自动化采集+光学诊断+EHD可视化”集成为一套系统的电晕放电测量技术平台，使得电晕起始电压、模式转换电压、I–V特性及其滞回、放电发光结构和EHD流场可以在统一实验框架下被快速、批量、可重复地获取。作者团队也明确提出，下一步将基于在不同温度、湿度、压力条件下采集的大量数据，构建类似“相图”的电晕放电图谱，为包括ESP、等离子体烟气净化、电晕干燥、电晕冷却等在内的工程应用提供可查阅的设计和运维数据库。对于正处在存量改造与增量创新并行阶段的工业烟气治理行业而言，这类系统化、可复现的基础测量平台，正在悄然改变我们理解和使用“电晕放电”这一传统技术的方式。

参考文献
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