一种在液体介质中降低放电击穿电压的方法

摘要

本发明属于液体介质中放电的等离子体技术领域，并公开了一种在液体介质中降低放电击穿电压的方法。该方法包括下列步骤：S1将两个电极相对放置在放电液体中，设定二者之间的初始距离，然后分别夹持两个电极，并使得至少一个电极具备绕其自身的夹持点运动的自由度；S2在两个电极之间施加高电压，二者相互吸引使得该两个电极的底端逐渐靠近，以此缩短二者之间的距离，降低两个电极之间的击穿电压；S3逐渐增大施加的高电压直至两个电极之间发生放电，放电电压击穿二者之间的放电液体，放电点燃后，两个电极恢复至初始距离，至此完成击穿过程。通过本发明，降低液体介质中击穿电压，避免电极的烧蚀，提高能量的利用率，降低水中放电的难度。

说明书

技术领域

本发明属于液体介质中放电的等离子体技术领域，更具体地，涉及一种在液体介质中降低放电击穿电压的方法。

背景技术

近年来，液体中放电等离子体的研究与应用得到了国内外广泛的关注，液体中放电在乙醇重整制氢、污水处理、杀菌消毒中都具有重要的意义。目前对液相放电的应用研究中，所用装置的电极无论是针-板、针-针、还是板-板，电极的间距皆为定值。而水中放电的特性是击穿电压很高，而一旦放电点燃之后，维持放电的电压则相对较低。如果给放电间隙加载足够高的电压，虽然可以使放电很容易产生，但产生的负面问题也很多，包括更高的电压等级对电源的体积、成本造成增加，同时击穿之后如果不能及时回调电压，则稳定后的放电电流相对较大，这一方面会造成电极的烧蚀从而影响放电装置的寿命和安全性，另一方面也增加了电源的负荷以及能量消耗，同时也不利于对放电装置的工况进行调控，而如果电源的输出电压不够高，则根本无法产生放电。

目前，在液体介质中产生放电过程中，电极被夹持固定，不具有自由度，在给两个电极施加电压时，只有施加的电压达到足够高时(如去离子水中通常当两个电极在1毫米时，击穿电压高达25KV以上)，电极之间的液体介质才能被击穿，因此，对实验设备的要求极高，难于实施。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种在液体介质中降低放电击穿电压的方法，在不改变放电间隙尺寸、电极结构和放电介质的条件下，通过使得电极具有一定的自由度，从而使得二者之间的距离可受静电力作用而调节，在电极通电后两个电极相互吸引缩短二者之间的距离，以此降低中液体介质中放电击穿的电压，当放电间隙击穿后，两电极之间有电流导通，此时两电极间的静电吸引力消失，两个电极回到初始位置避免放电过于剧烈导致电极的烧蚀和放电的失控，由此大幅度降低水中放电的击穿电压，提高能量的利用率，降低水中放电的难度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种在液体介质中降低放电击穿电压的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1将两个电极相对放置在放电液体中，设定二者之间的初始距离，然后分别夹持所述两个电极，并使得至少一个电极具备绕其自身的夹持点运动的自由度；

S2在所述两个电极之间施加高电压，二者相互吸引使得该两个电极的底端逐渐靠近，以此缩短两个所述电极之间的距离，降低两个电极之间的击穿电压；

S3逐渐增大施加的所述高电压直至两个所述电极之间发生放电，放电电压击穿二者之间的放电液体，放电点燃后，两个电极恢复至初始距离，至此完成击穿过程。

进一步优选地，在步骤S2中，所述施加高电压的电源优选采用直流电源、脉冲电源、交流电源、射频电源、微波电源。

进一步优选地，在步骤S1中，所述放电液体优选采用非导电性的液体。

进一步优选地，在步骤S1中，所述放电液体优选采用无水乙醇、有机溶剂、蒸馏水或去离子水。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明将两个电极设置的具备一定的自由度，使得电极中施加高的电压后相互吸引，缩短电极之间的距离，以此降低击穿电压，同时，在放电点燃后，电极能自动归位恢复到初始距离，避免放电过于剧烈导致放电失控和电极烧蚀，提高安全性，延长使用寿命；

2、本发明通过在两个电极上施加高电压，使得电极底端不断沉积电荷。由于两个电极分别是阴极和阳极，因此两个电极上积累的电荷分别为负电荷和正电荷，极性相异的电荷之间会在静电场的作用下形成静电引力，从而导致阴极和阳极相互靠近，而当两个电极的距离足够近的时候就会在外加电压的作用下击穿液体介质发生放电，发生放电以后，两电极之间形成了导电的等离子体通道，因此也就形成了传导电流流过电极，于是电极上积累的电荷消失，随之静电吸引力也消失，两个失去吸引力作用的电极彼此分离，电极间隙增大，但是，由于放电点燃之后，继续维持放电所需的电压相对较低，因此在电极间隙增大的过程中放电并不会熄灭。如果电极间的初始间距较小，则电极回到初始位置时放电会继续进行，直到外加电压消失。反之，如果电极间的初始间距较大，则电极回到初始位置时外加电压不足以维持放电继续进行，此时放电会熄灭。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的中液体介质中放电的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明的优选实施例，搭建在液体介质中放电的装置，图1是按照本发明的优选实施例所构建的中液体介质中放电的结构示意图，该装置包括以下结构：高压电源、可活动的能承受高压的电极、水中放电容器、活动电极固定套环、地极、示波器。

高压电源可为直流电源、脉冲电源、交流电源、射频电源、微波电源；电极可采用不锈钢针、钨针等导电性好的金属针；施加在电极上的高电压为大于220V的电压，在不同的介质条件下放电电压的差异较大，比如当液体为去离子水的时候，击穿电压高达30kV以上，而当液体为无水乙醇的时候其击穿电压最低可达15kV。

水中放电容器采用石英玻璃容器或其他与液体不发生反应且绝缘性与耐高压高温性良好的容器；放电液体可为无水乙醇、有机溶剂、蒸馏水、去离子水等非导电性液体；活动电极固定套环采用海绵胶制作，也可以采用其他有弹性的物质或者其他可以使电极能够活动的固定方式，既可以两根电极都活动，也可以只有一个电极可活动；本发明提供的方法既适用于针-针放电，也适用于针-板放电以及其他电极间的放电。

电极没有加压时，两极保持一定的间距，当给高压电极通电，在逐渐提升电压且没有击穿放电之前，两活动电极上积累静电荷，电极在静电力的作用下相互吸引靠近，从而使放电间隙缩小，达到降低击穿电压的效果，而在放电发生后，两电极上的积累电荷消失，电极失去静电吸引力的作用，在重力或者回弹力的作用下又会回到初始间距，而且放电不会中断。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明的效果。

选取40KHZ的高压交流电源，放电方式为液相针-针放电，高压电极为不锈钢针，放电容器使用石英玻璃容器，不锈钢针通过弹性海绵胶套环固定在容器上，调节海绵的厚度使电极在一定的范围内是可以活动的，液体采用蒸馏水。

其中，不锈钢针即电极之间的初始间距为5mm，通电后，两不锈钢针在静电力的吸引下靠近，直至距离1mm左右，在电压为15KV时产生放电，放电后，两针失去吸引力恢复到初始距离5mm，但放电依然进行。

对比实验：选取的电源、电极材料、容器、放电方式均不变，将电极的固定方式改变为不可活动式固定，即两电极之间的距离是不可发生变化的。第一组电极间距为5mm，电压加到30KV，没有产生放电；第二组电极间距为1mm，加压到25KV，产生放电。

从对比实验可以看出，当两个电极具备一定的自由度，在两个电极上施加电压后，电极之间相互吸引，缩短了两个电极之间的距离，大幅度降低了水中放电的击穿电压，使得击穿电压在30KV以上降低到15KV，在这个过程中没有影响放电方式，放电更加容易，且并不影响保持放电发生的间距，在电极间距较大的情况下依然能轻松实现放电。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。