0 引言

　　介質(zhì)阻擋放電（DBD）技術(shù)在材料、微電子、化工、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、自來(lái)水深度處理等眾多學(xué)科領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前研究中介質(zhì)阻擋放電的特征參數(shù)（介質(zhì)阻擋電容、氣隙放電電容和放電維持電壓）與供電電源的主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、負(fù)載特性以及等效模型方面有著密切聯(lián)系[3-4]，因此需要準(zhǔn)確地測(cè)量介質(zhì)阻擋放電電路的特征參數(shù)顯得比較困難。許多學(xué)者對(duì)介質(zhì)阻擋放電的特征參數(shù)的獲得大多采用幾何計(jì)算法，但這種方法自身存在難以克服的缺點(diǎn)，已很少采用?，F(xiàn)階段，李薩如圖形法是在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛采用的一種測(cè)量介質(zhì)阻擋放電電路參數(shù)的方法。這種方法可以同時(shí)獲得三個(gè)DBD電路放電特征參數(shù)，比幾何計(jì)算法更精確，且不需要獲得DBD電路設(shè)計(jì)參數(shù)[5-6]。但傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法存在操作復(fù)雜、效率低、誤差大和難以在線測(cè)量等不足，本文正是基于李薩如圖形測(cè)量原理設(shè)計(jì)了一種在線測(cè)量電路，該方法具有實(shí)時(shí)操作性強(qiáng)，效率高，誤差小等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法

　　李薩如圖形測(cè)量法能夠測(cè)量DBD三個(gè)放電參數(shù)，即能根據(jù)測(cè)量結(jié)果同時(shí)計(jì)算出放電維持電壓、放電氣隙電容、介質(zhì)阻擋電容這三個(gè)重要的放電特征參數(shù)。

　　1.1 李薩如圖形原理

　　傳統(tǒng)李薩如原理圖如圖1所示，從圖中可以得到：點(diǎn)B、D對(duì)應(yīng)著電流變化的時(shí)刻點(diǎn)，點(diǎn)M、N對(duì)應(yīng)著電壓變換的時(shí)刻點(diǎn)，本文稱之為關(guān)鍵點(diǎn)。獲得B、D、M、N關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，為敘述方便，這里設(shè)其坐標(biāo)為B(Bx，By)、D(Dx，Dy)、M(0，My)、N(Nx，0)。

　　求取A、B、C、D點(diǎn)坐標(biāo)：

　　計(jì)算直線BA和直線DA在坐標(biāo)系中交點(diǎn)A的坐標(biāo)(Ax，Ay)：

　　不難獲得，直線AB的方程為：

　　y=kBMx+My(1)

　　直線AD的方程為：

　　y=kDN(x-Nx)(2)

　　聯(lián)立（1）（2）式可得：

　　同樣可以求得C點(diǎn)坐標(biāo)：

　　依據(jù)以上原理可求取B和D點(diǎn)坐標(biāo)，至此可以重構(gòu)李薩如圖形，這里不再贅述。

　　1.2 DBD負(fù)載放電參數(shù)的計(jì)算

　　(1)放電功率的計(jì)算式

　　依據(jù)李薩如圖形獲得放電功率一般分為兩步：

　?、儆?jì)算圖形面積：

　　式中，S駐BCD為圖1中由Ｂ、Ｃ、Ｄ 3點(diǎn)構(gòu)成的三角形面積。

　?、诮Y(jié)合測(cè)量?jī)x器的變比，計(jì)算放電功率P：

　　P=SfCm kx ky kN(6)

　　式中：S為平行四邊形的面積、f為DBD電路工作頻率、Cm為“積分電容”數(shù)值、 kx為示波器橫軸（X軸）靈敏度、 ky為示波器縱軸（Y軸）靈敏度、 k為高壓探頭分壓比、 N為電流互感器TA的變比。

　　(2)電路氣隙電容與介質(zhì)阻擋電容計(jì)算式

　　從DBD型負(fù)載放電的實(shí)際電路可以得到此時(shí)放電氣隙電容為：

　　(3)電路放電維持電壓Uz計(jì)算式

　　y=KDN(x-Bx)+By(10)

　　式(10)為直線BC在直角坐標(biāo)系中的方程。

　　令y=0，可得J的橫坐標(biāo)為:

　　由此可得，放電維持電壓的數(shù)值為：

　　1.3 傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量不足

　　DBD放電是在數(shù)千伏高壓下發(fā)生的，故對(duì)DBD型負(fù)載放電參數(shù)的測(cè)量比較困難，但可以采用電容分壓電路、電阻分壓電路或者高壓探頭的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

　　如圖2給出了電阻分壓電路測(cè)量DBD負(fù)載兩端電壓的示意圖。

　　不論采用高壓探頭還是分壓電路來(lái)獲得DBD負(fù)載兩端的電壓，都存在著明顯的不足，亟待解決：

　　(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，投資大。在實(shí)驗(yàn)中需要示波器、高壓探頭、電流探頭、隔離變壓器等，這些設(shè)備的投入，使得實(shí)驗(yàn)復(fù)雜且投資較大。

　　(2)電阻分壓電路要求電阻具有阻值精密、耐壓高等特性，且未能實(shí)現(xiàn)隔離，因此有安全隱患。

　　(3)對(duì)于獲得的李薩如圖形需要人工處理數(shù)據(jù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，實(shí)時(shí)性差。

　　(4)誤差大，人為讀取數(shù)據(jù)會(huì)引進(jìn)人為誤差，是誤差的主要部分。

2 李薩如圖形在線測(cè)量系統(tǒng)

　　基于以上介紹的傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量方法存在的不足，迫切需要設(shè)計(jì)出一種新的測(cè)量系統(tǒng)，使得對(duì)該電路參數(shù)測(cè)量更加方便。

　　2.1 在線測(cè)量系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

　　以正半周期電流電壓為參考方向，不難得到李薩如圖形中點(diǎn)B對(duì)應(yīng)DBD電路負(fù)半周期內(nèi)電流從負(fù)到正的變換時(shí)刻；點(diǎn)M對(duì)應(yīng)積分電容端電壓從負(fù)到正的變換時(shí)刻；D對(duì)應(yīng)正半周期電流從正到負(fù)的變換時(shí)刻；N對(duì)應(yīng)發(fā)生器兩端電壓從負(fù)到正的變換時(shí)刻。

　　在線測(cè)量系統(tǒng)需完成：

　　(1)捕捉電壓電流過零信號(hào)；

　　(2)測(cè)量電壓電流過零時(shí)的電氣參數(shù)；

　　(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成放電參數(shù)求解。

　　由以上分析，在線測(cè)量系統(tǒng)主要包括信號(hào)檢測(cè)回路、采樣電路、數(shù)據(jù)處理單元和結(jié)果輸出，有軟件系統(tǒng)和硬件電路兩部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

　　2.2 信號(hào)檢測(cè)與采樣電路

　　在所述的信號(hào)檢測(cè)回路中，包含有電容分壓電路、“電荷積分”電路、逆變電路、電流過零檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)回路及電壓過零檢測(cè)電路。參數(shù)檢測(cè)裝置利用串聯(lián)諧振逆變電路主電流過零、“電荷積分”回路電壓、電容分壓回路電壓、過零檢測(cè)電路形成采樣電路的采樣控制信號(hào)。

　　電容分壓電路是由兩個(gè)無(wú)極性電容串聯(lián)構(gòu)成，這兩個(gè)電容上電壓與介質(zhì)阻擋放電電路承受的電壓存在比例關(guān)系，通過合理配置這兩個(gè)電容的電容值，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)阻擋電路上電壓的降壓檢測(cè)；“電荷積分”電路由一個(gè)電流互感器和與其相連的無(wú)極性電容構(gòu)成，該電路對(duì)通過流過介質(zhì)阻擋放電電路的電流進(jìn)行積分運(yùn)算。通過電容分壓和“電荷積分”回路上的電壓形成重構(gòu)李薩如圖形所需的原始數(shù)據(jù)。采用單片機(jī)與AD采樣模塊即可完成對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。

　　2.3 數(shù)據(jù)處理單元與結(jié)果輸出

　　數(shù)據(jù)處理單元包括硬件單片機(jī)和軟件程序，對(duì)數(shù)據(jù)的處理包括根據(jù)采樣數(shù)據(jù)完成李薩如圖形的重構(gòu)，完成參數(shù)計(jì)算，求得放電功率、介質(zhì)阻擋電容、氣隙電容和放電維持電壓。結(jié)果在液晶模塊中顯示出來(lái)，形成可視化結(jié)果。按照本文DBD參數(shù)求解思路，用C語(yǔ)言編程即可實(shí)現(xiàn)。

3 在線測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

　　本文在理論分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的分析之后搭建了DBD在線測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)。

　　3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

　　該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由DBD系統(tǒng)和DBD放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)組成。在試驗(yàn)中的DBD系統(tǒng)包括臭氧產(chǎn)量為10 g/h的DBD型臭氧發(fā)生器一臺(tái)，可調(diào)變壓器一臺(tái)，賽米控公司skyper32全橋逆變控制器一臺(tái)。在試驗(yàn)中的DBD在線測(cè)量系統(tǒng)包括電壓電流采樣電路、電容積分電路與電容分壓電路、單片機(jī)板。

　　3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本文在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別采用傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法和在線測(cè)量系統(tǒng)獲取DBD放電參數(shù)。圖4為傳統(tǒng)李薩如圖形法獲得的李薩如圖形，在該李薩茹圖形中設(shè)置相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行手工計(jì)算。表1給出了采用傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法和本文提出的在線測(cè)量法獲得的DBD放電參數(shù)的結(jié)果。

　　兩種方式都能求取DBD負(fù)載放電參數(shù)。從表1的結(jié)果對(duì)比中，能夠得出傳統(tǒng)李薩如圖形獲得地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)浮動(dòng)比較大；而在線測(cè)量系統(tǒng)在相同實(shí)驗(yàn)條件下獲得數(shù)據(jù)基本相同。因此可以得出：(1)本文提出設(shè)計(jì)的DBD放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)正確；(2)采用本文提出的在線測(cè)量系統(tǒng)獲得的結(jié)果更加可靠準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

　　本文從對(duì)DBD負(fù)載放電參數(shù)測(cè)量的傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法原理出發(fā)，分析設(shè)計(jì)了DBD負(fù)載放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，簡(jiǎn)單歸納如下：

　　(1)本文提出的DBD放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)正確，結(jié)果更加可靠準(zhǔn)確；

　　(2)DBD放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法的諸多不足，具有高效、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 高少波，許東衛(wèi)，劉鐘陽(yáng).DBD型臭氧發(fā)生器M型“缺口”現(xiàn)象的探討[J].電力電子技術(shù)，2011，45(1)：85-87.

　　[2] 王新新.介質(zhì)阻擋放電及其應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2009，35(1)：1-11.

　　[3] 唐雄民，孟志強(qiáng)，張淼.介質(zhì)阻擋放電電路的研究進(jìn)展及展望[J].電源學(xué)報(bào)，2013，45(1)：53-55.

　　[4] 李思琪，唐雄民，嚴(yán)其林.PAM方式下DBD型臭氧發(fā)生器負(fù)載特性研究[J].電力電子技術(shù)，2013，47(10)：96-97.

　　[5] 孫巖洲，張峰.介質(zhì)阻擋放電特性與臭氧合成的實(shí)驗(yàn)研究[J].高壓電氣，2010，46(1)：40-43.

　　[6] 唐雄民，章云，朱燕飛.串聯(lián)諧振式介質(zhì)阻擋臭氧發(fā)生器等效模型及電源特性分析[J].高電壓技術(shù)，2012，38(5)：1051-1058.