西安科技大学王党树、邓翾等：甲烷/空气混合气体在针板电极下的微间隙放电特性

随着5G通信及人工智能技术的发展，煤矿开采也越来越智能化，各种智能化设备的涌现对矿井下供用电技术也提出更加苛刻的要求。工作在爆炸性环境的供、用电设备必须满足防爆要求，同时满足功率不断增大的要求。
研究爆炸性环境下微间隙放电过程及特性对本质安全电路的研究具有指导性意义，但目前爆炸性环境下的微间隙放电特性尚不明晰，且大多从宏观角度进行研究，缺少微观层面的理论分析，西安科技大学电力电子电路与系统团队基于流体动力学理论模拟研究了甲烷—空气混合气体在低电压微间隙放电动态过程，从微观层面分析了微间隙放电机理，并通过实验验验证了仿真结果的真实性和可靠性。

研究背景

应用于煤矿井下等爆炸性环境的电气电子设备必须满足电气防爆要求，本质安全型防爆措施是最佳防爆方法，然而由于对电源发生短路故障时火花放电的微观机理不清晰，电源在爆炸性环境下发生短路火花放电时电子及各种粒子演绎规律也不清楚，导致目前采用厚重防爆外壳进行隔爆、抑爆，浪费资源也阻碍了本安电源推广应用。

论文所解决的问题及意义

本文根据程控微间隙放电实验装置的电极结构，基于流体动力学理论模拟研究了甲烷—空气混合气体在低电压微间隙放电动态过程。通过改变极距以及甲烷空气混合气体浓度的变化来分析对电子密度、各正离子数密度、电场强度和平均电子能量的影响，从微观层面分析了微间隙放电机理，并通过试验验证了仿真结果的真实性和可靠性。对微间隙放电的仿真和甲烷与空气混合气体下放电特性及机理研究具有一定的参考价值；并对本质安全电路的研究具有指导性意义。

论文方法及创新点

本文基于程控微纳放电试验装置的电极结构，在甲烷—空气混合气体环境下建立放电物理模型，通过流体动力学对放电进行二维建模仿真，仿真考虑了电场分布、粒子输运、动量传递等机理，最终得到放电过程中轴向电子密度、各种正离子密度等放电参数的变化特性，从而阐明了等离子体微间隙放电机理。

图1 程控微间隙击穿放电试验装置

图2 仿真模型

微间隙放电机理主要观察电子密度的动态变化过程，通过模拟气体放电过程得到不同时刻电子密度分布图，如图3所示。

当放电初期，电场强度主要与静电场边界条件有关，电子密度处于缓慢上升阶段。8-10 ns内，随着电子在电场中获取的能量增多，电子密度快速上升。当放电时间到达40 ns时，电子与正离子复合的几率也有所增加，使得电子密度增长变缓。40 ns以后，电子在针尖处因复合而消失的速率不断增强，从而导致阳极处的电子密度相对减小，因此，电子密度出现下降趋势，继续发展放电逐渐进入平稳阶段。

图3 不同时刻电子密度分布图

为了探究甲烷/空气混合气体在针板电极下的微间隙放电特性，本文搭建了如图4所示的试验平台。

图4 实验平台

图5显示，放电电流会出现两次上升趋势，甲烷浓度增加，放电时间减小，但当甲烷浓度大于8.5%时，放电时间不再随甲烷浓度增加而变小。图6为针板距离分别为6μm，8μm和10μm的微间隙放电实验结果，图中显示，当针板间隙为10μm时电流仅上升一次，说明放电过程中场致发射几乎不存在。

图5 不同间隙下放电电压、电流波形

图6 不同甲烷浓度下放电电压、电流波形

结论

本团队研究人员基于流体动力学理论建立甲烷—空气混合气体的放电仿真模型，分析了放电的微观动态过程，得出以下结论：

（1）微间隙放电过程中，在阳极约2μm处、阴极约0.5 μm处形成鞘层区，阴极附近的正离子鞘层区使得阴极场强发射发生畸变，畸变为原来的3-5倍。

（2）甲烷浓度在3.5%~13.5%范围变化时，N₂⁺数密度相对稳定约为4×10¹⁵ m^-3，O₂⁺数密度在甲烷浓度小于8.5%时随着甲烷浓度增加而增加。甲烷浓度大于等于8.5%时，混合气体中O₂碰撞电离达到饱和，不随甲烷浓度增加而增加。甲烷增加会影响碰撞电离产生的CH₄⁺数密度，浓度每增加5%，CH4+数密度增加约2×10¹⁵ m^-3。

（3）改变极间间距，影响场内电场强度，进而影响放电机制，当针板距离小于10μm时，电场畸变较大，满足场致发射条件，汤森放电和场致发射共同存在，平均电子能量上升两次；大于或等于10μm时，电场畸变强度变弱，低于场致发射场强临界值，此时放电机制为汤森放电，平均电子能量只上升一次。

团队介绍

西安科技大学电力电子电路与系统研究团队有成员11人，其中教授3名，副教授4名，讲师4名。依托于西安市电气设备状态检测与供电安全重点实验室致力于爆炸性气体环境下本质安全电路放电理论、电力电子变换器、无线电能传输等学科研究，团队先后承担国家自然科学基金项目（共6项，其中重点项目1项、面上项目3项、青基2项）、国家科技部计划项目、陕西省创新引导计划项目、陕西省及西安市科技攻关项目、产业化培育基金及西安市创新基金等纵、横向科研项目60余项；在国内外学术期刊和国际会议上公开发表论文300余篇，其中SCI、EI检索200余篇，出版专著及教材6部，其中国家“十一五”规划教材1部。已获国家实用新型专利76项、申报国家发明专利55项。

王党树

副教授、硕士生导师，陕西省电源学会常务理事，陕西省电源学会防爆分会秘书长，主要研究方向为本质安全开关电源及本安防爆理论微纳间隙放电、新能源功率变换技术及其应用和电力电子电路与装置及其控制技术。

邓翾

西安科技大学电气与控制工程学院硕士研究生，研究方向为本质安全开关电源及本安防爆理论微纳间隙放电。

刘树林

博士、教授、博士生导师，“电力电子电路与系统”团队负责人、矿山机电工程博士点学科带头人。主要研究方向为本质安全开关电源及本安防爆理论、电力电子电路与装置及其控制技术、电源管理芯片设计、新能源功率变换技术及其应用等。

本工作成果发表在2023年第13期《电工技术学报》，论文标题为“甲烷/空气混合气体在针板电极下的微间隙放电特性”。本课题得到国家自然科学基金面上项目和国家自然基金科学青年项目的支持。

引用本文

王党树, 邓翾, 刘树林, 仪家安, 王新霞. 甲烷/空气混合气体在针板电极下的微间隙放电特性[J]. 电工技术学报, 2023, 38(13): 3388-3399. Wang Dangshu, Deng Xuan, Liu Shulin, Yi Jia'an, Wang Xinxia. Microgap Discharge Characteristics of Methane/Air under the Needle Plate Electrode. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(13): 3388-3399.