脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电特性影响的实验研究

牛宗涛　章　程　王瑞雪　陈根永 　邵　涛

(1.中国科学院电工研究所　北京　100190　2.郑州大学电气工程学院　郑州　450001 3.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室　北京　100190)



脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电特性影响的实验研究

牛宗涛1，2章程1，3王瑞雪1，3陈根永2邵涛1，3

(1.中国科学院电工研究所北京1001902.郑州大学电气工程学院郑州450001 3.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室北京100190)

脉冲滑动放电能够在大气压下产生高能量、高电子密度的低温等离子体，在废水处理、点火助燃、甲烷转化等领域具有广泛的应用前景。为了研究重复频率微秒脉冲电源对滑动放电特性的影响，采用自主研制的重复频率微秒脉冲电源，通过改变电源的脉冲重复频率进行了实验研究。结果表明在大气压空气中滑动放电产生的火花通道能够顺着气流的方向沿刀型电极刃面向上滑动，最大高度和长度可以达到29 mm和43 mm，各火花通道彼此分散。进一步分析脉冲重复频率对滑动放电的影响规律可知，高频时(500～1 500 Hz)，随着脉冲重复频率的增大，火花放电通道逐渐向上发展，发生火花放电的最高位置逐渐向刀型电极的刀尖处靠拢。滑动放电的击穿电压逐渐减小，工作电压逐渐分散。这与驻留粒子的记忆效应和电极间隙的变化有关。低频时(1～300 Hz)，由于气流的作用，电极间隙内驻留的粒子较少，其记忆效应对滑动放电的影响较弱，火花通道不能沿刀型电极刃面向上滑动。

微秒脉冲滑动放电脉冲重复频率记忆效应

0　引言

气体放电是产生非平衡态低温等离子体的有效方法，在工业、医疗、环境保护等国民经济和社会生活领域有着广泛的应用[1-5]。气体放电的形式多种多样，其中辉光放电和射频放电通常在低气压下产生，但是昂贵的设备和复杂的真空系统不利于连续化工业生产[6，7],电晕放电、弥散放电和介质阻挡放电能够在大气压下产生非平衡态低温等离子体，但其活性粒子的种类、浓度和氧化性不能满足一些特殊应用的需求[8-11]。滑动放电是一种电极最窄间隙处产生的火花通道在气流的作用下，沿着气流方向滑动的气体放电形式[12-15]，通常能够在大气压下产生高效的非平衡态低温等离子体，具有活性粒子种类多、浓度高、加热效率高和可操作性强等特点，因此在环境保护[13]、污水处理[14]和辅助燃烧[15]等方面有着广泛的应用，引起了国内外研究人员的广泛关注。

20世纪90年代之前，对于滑动放电的研究主要集中在基本电路和工业应用等方面，近年来滑动放电的动态特性引起了广泛关注。文献[16-20]研究了气体流量和输入功率对滑动放电的影响，利用高速摄影技术分析了滑动放电的物理特性，并将滑动放电应用于材料处理。文献[21]在氩气氛围中构建了滑动放电的二维模型，通过计算可以得出滑动放电的电子密度可以达到1022m-3。文献[22]对交流滑动放电的电学特性和光谱特征进行了测量。研究发现滑动放电可以分为引弧阶段、滑动阶段和消弧阶段三个阶段，并且不同阶段的滑动放电表现出不同的特性。上述文献中，大多数滑动放电的研究都是采用直流或高频高压交流电源作为激励源。随着脉冲功率技术的发展，具有快上升时间、窄脉冲、高电压幅值和高瞬时功率等特点的脉冲功率电源引起了研究人员的广泛关注[23，24]。文献[25，26]采用纳秒脉冲电源作用在针-针电极上，并将通过电极间隙内的空气预热到1 000 K，研究纳秒脉冲等离子特性。实验发现纳秒脉冲针-针放电具有3种放电模式(电晕放电、弥散放电和火花放电)，并且提出放电电流等于位移电流和传导电流之和。文献[27，28]分别采用不同型号的纳秒脉冲电源，在气流的作用下，在针-针电极间隙内产生滑动放电。并研究了气体流量、脉冲重复频率、电极间隙等条件对滑动放电的影响。此外还对不同型号的纳秒脉冲电源产生的滑动放电做出了对比。

滑动放电的特性与电源种类和电极结构密切相关。本课题组前期研究了微秒与纳秒脉冲电源激励针-针电极产生的滑动放电表现出不同的放电图像[28]。为了深入研究微秒脉冲滑动放电的特性，本文采用微秒脉冲电源施加在刀型电极上激励滑动放电，并研究脉冲重复频率对滑动放电的影响。

1　实验装置与测量系统

实验在大气压下敞开的空间内进行，实验装置和测量系统如图1所示，由气路、工作电路和测量系统三部分组成。气路包括空气压缩机、浮子流量计和喷嘴。与文献[29]中的气路相似，气体压缩机产生的压缩空气经过浮子流量计的调节和控制，通过喷嘴进入电极间隙，且内径为8 mm的喷嘴处于电极间隙中心位置正下方15 mm处。工作电路由本课题组自主研制的微秒脉冲电源(CMPC-40D)和刀型电极组成。微秒脉冲电源的参数为电压幅值0～30 kV，脉冲宽度约8 μs，上升沿约0.5 μs，脉冲重复频率(PRFs)1～3 000 Hz。刀型电极的材料为黄铜，高度为23 mm，底部间距可通过滑轨进行调节。测量系统可以分为电信号测量系统和光信号测量系统，与文献[29]中测量系统相似，包括Tek高压探头(P6015)、Pearson电流线圈(4100)、示波器(Tek 2024B)和数码照相机(Canon EOS500D)。其中，高压探头测量得到的电压信号和电流线圈测量得到的电流信号通过3 m同轴电缆输送到示波器中，并在示波器上实时显示电压和电流波形。放电图像由数码照相机和腾龙镜头(ModelA001)进行拍摄。相机拍照的方向与电极轴线方向垂直且与电极高度一致，相机放置在距离电极间隙1 m处，且放电区域完全处于其视野内，保证相机可以从水平方向拍摄到放电图像。

图1　实验装置示意图Fig.1　Schematic view of the experimental set-up

2　实验结果与讨论

2.1重复频率微秒脉冲滑动放电特性

图2　典型的微秒脉冲滑动放电波形及其放电图像Fig.2　Typical waveforms and discharge images in microsecond-pulse gliding discharges

图2为典型的重复频率微秒脉冲滑动放电的电压、电流波形和放电图像。对应的实验条件为：保持气体流量为10 L/min、刀型电极最窄间隙为5 mm、脉冲重复频率保持1 500 Hz不变，调节微秒脉冲电源的外加电压为17 kV，相机的曝光时间为1/80 s。从图2a可以看出，在发生击穿形成滑动放电通道的瞬间，电压迅速减小，随后，电压幅值在较小范围内振荡衰减。而在电压峰值对应的时刻，电流迅速增大，出现了一个小尖峰，约12 A，随后电流幅值按照正弦规律振荡衰减。此外，可以看出，击穿发生时的工作电压峰值为11.8 kV，小于电源施加的电压(17 kV)。因此，为了保证能够得到持续稳定的滑动放电，需要电源提供足够的能量来维持滑动放电的发展。而电源提供的能量和电源施加的电压具有正相关性，所以电源施加的电压需要高于滑动放电的工作电压。从图2b中可以看出，在气流的作用下，微秒脉冲滑动放电通道顺着气流的方向沿刀型电极刃面向上滑动，高度可以达到29 mm，长度可以达到43 mm，并且各条放电通道彼此分散。而文献[18]采用高频高压交流电源在类刀型电极上产生的滑动放电通道高度可以达到10 cm，长度可以达到16 cm，这是由于电极结构不同造成的。由于脉冲重复频率为1500 Hz，相机曝光时间为1/80 s，此时相机捕捉到的放电图像由19个脉冲激励的放电通道组成。通过观察可以看出图2b中有19条火花通道。因此可以认为一个脉冲能够形成一条火花通道。此外，在刀型电极底部窄间隙处出现了一条与气流方向相反的火花通道。这是由于电极底部拐角处曲率半径较小，击穿电压较低，形成尖端放电。

2.2脉冲重复频率的影响(500～1 500 Hz)

图3　不同脉冲重复频率的滑动放电图像 (500～1 500 Hz，脉冲数量为20个)Fig.3　Images of the gliding-like discharge at different pulse repetition frequency (500～1 500 Hz，20 pulses)

实验时，气体流量为10 L/min、刀型电极最窄间隙为5 mm、保持微秒脉冲电源的外加电压约为17 kV，通过触发器调节脉冲重复频率分别为500 Hz、800 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz和1 500 Hz，得到一组放电图像。不同脉冲重复频率的滑动放电图像如图3所示。为了保证每次拍摄到的放电图像的脉冲数量相同，在改变脉冲重复频率的同时，调节相机的曝光时间，使得每个放电图像为施加20个脉冲后的放电积分图像。从图3可以看出，在气体流量的作用下，随着脉冲重复频率的增大，微秒脉冲滑动放电逐渐向上发展，发生火花通道的位置逐渐向刀型电极的刀尖处靠拢。并且火花通道的长度和高度逐渐增大，各条火花通道逐渐分散。当脉冲重复频率为500 Hz时，火花通道仅在电极间隙最窄处附近出现，不能沿气流向上滑动。最底端的火花通道直径较大且明亮，有晕光层出现。当脉冲重复频率为800 Hz时，火花通道向上有了一定的发展，火花放电通道之间有交叉现象。当脉冲重复频率大于等于1 000 Hz时，火花通道能够达到较大的高度，各条火花通道在电极间隙内逐渐均匀分布。而文献[17]采用了35 kHz的交流电源驱动滑动放电，产生的火花通道能够达到较大的高度，但是在单个滑动周期内火花通道数目较多，且密集分布，不能观察到各条火花通道彼此均匀分布的特征。

当气体流量为10 L/min、刀型电极最窄间隙为5 mm、调节脉冲重复频率为500～1 500 Hz，每处测得10组击穿电压，求其平均值和方差，做出脉冲重复频率对滑动放电击穿电压的影响曲线，如图4所示。

图4　脉冲重复频率对击穿电压的影响(500～1 500 Hz)Fig.4　Effect of the pulse repetition frequency on breakdown voltage(500～1 500 Hz)

本文中击穿电压的定义与文献[30]中的击穿电压的定义相似：保持某一电压不变，重复测量10次，有5次以上能够发生击穿。从图4中可以看出，当脉冲重复频率为500～1 500 Hz时，随着脉冲重复频率的增大，微秒脉冲滑动放电的击穿电压从16.8 kV减小到14.6 kV，减小了13%。当脉冲重复频率大于800 Hz时，击穿电压减小的速率逐渐变缓。这是由于当脉冲重复频率大于800 Hz时，火花通道所能达到的高度已经接近最大值。因此相应击穿电压的减小速率逐渐变缓。而文献[25]采用纳秒脉冲电源作用在预热到1 000 K的针-针电极结构中，也得出了随着脉冲重复频率的增大，击穿电压逐渐减小的结论。

图5给出了脉冲重复频率对工作电压影响的散点图。图中每一列点代表滑动放电在该频率下连续测量得到的10组工作电压值，工作电压是指击穿发生后维持滑动放电持续工作的电压值。实验条件与图3的实验条件相同。从图5中可以看出，随着脉冲重复频率的增大，微秒脉冲滑动放电的工作电压逐渐分散，工作电压的变化范围逐渐增大。当脉冲重复频率为500 Hz时，工作电压在12.1～14.7 kV内变化。而当脉冲重复频率为1 500 Hz时，工作电压在6 ～13.6 kV内变化。出现这一现象是由于当脉冲重复频率为500 Hz时，滑动放电通道主要集中在电极窄间隙处，且电极间隙距离和火花通道长度变化范围均不大，因此，施加在火花通道上的电压变化范围较小。并且，由于火花通道周围没有或者有少量的活性粒子辅助火花通道的形成和维持，因此其工作电压较高。当脉冲重复频率超过800 Hz时，由于驻留粒子记忆效应的影响，前一次放电产生的活性粒子沿气流移动的距离较小，会辅助火花放电通道的产生和维持[31]。驻留粒子是指前一次放电产生的，由于未复合和扩散作用而停留在放电间隙内的活性粒子。驻留粒子能够辅助下一次放电的发生，具有一定的记忆效应。在驻留粒子作用下，相应火花通道的工作电压减小。并且脉冲重复频率越高，驻留粒子的记忆效应对工作电压的影响越显著。因此，脉冲重复频率越高，其工作电压变化范围越大且越分散。

图5　脉冲重复频率对工作电压的影响(500～1 500 Hz)Fig.5　Effect of the pulse repetition frequency on working voltage(500～1 500 Hz)

2.3脉冲重复频率的影响(1～300 Hz)

当气体流量为10 L/min、刀型电极最窄间隙为5 mm，调节脉冲重复频率分别为1 Hz、10 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz和300 Hz，得到一组放电图像，如图6所示。为了进行对比，保证每次拍摄到的放电图像的脉冲数量相同，在改变脉冲重复频率的同时，调节相机的曝光时间，使得每个放电图像为施加10个脉冲后的放电积分图像。从图6中可以看出，当脉冲重复频率不超过100 Hz时，在刀型电极间隙仅有一条放电通道，并且该条放电通道直径较大且明亮，存在于刀型电极底部尖端附近。此时随着脉冲重复频率的增大，火花通道形成的晕光层的高度逐渐增大，这是由于随着脉冲重复频率的增大，为了保证得到相同脉冲数量的放电图像，相机的曝光时间逐渐减小，火花通道的热量积累效应逐渐增加。当脉冲重复频率大于等于200 Hz时，在电极间隙内存在多条放电通道。如图6f所示，当脉冲重复频率为300 Hz时，在电极间隙内出现了3条放电通道，底部的火花通道直径较大，可以认为是多条火花通道相互叠加的结果。当脉冲重复频率从1 Hz增大到300 Hz时，随着脉冲重复频率的增大，底部火花通道的直径逐渐变小，火花通道向上有了一定的发展。如图6e和图6f底端的火花通道较图6a～图6d中的火花通道直径小，且图6e中出现了两条火花通道。此时可以说明当脉冲重复频率为200 Hz时，驻留粒子的记忆效应已经对滑动放电产生了影响，滑动放电产生的活性粒子沿气流方向移动距离合适，能够辅助其他位置形成火花通道。此外，通过对比不同频率的放电图像可以得出，火花通道优先在刀型电极底部尖端处产生。

图7给出了脉冲重复频率为1～300 Hz时，脉冲重复频率对击穿电压的影响曲线。实验条件和测量方法与图4相似。从图7中可以看出，当脉冲重复频率为1～300 Hz时，随着脉冲重复频率的增大，微秒脉冲滑动放电的击穿电压从24.2 kV到16.2 kV逐渐减小，减小了33%。而击穿电压的减小主要集中在1～100 Hz。当脉冲重复频率大于等于100 Hz时，击穿电压基本保持不变，约为16.2 kV。这是由于火花通道集中在相同区域。

图7　脉冲重复频率对击穿电压的影响(1～300 Hz)Fig.7　Effect of the pulse repetition frequency on breakdown voltage(1～300 Hz)

图8　脉冲重复频率对工作电压的影响(1～300 Hz)Fig.8　Effect of the pulse repetition frequency on working voltage(1～300 Hz)

图8给出了脉冲重复频率为1～300 Hz时，脉冲重复频率对滑动放电工作电压影响的散点图。实验条件和测量方法与图5相似。从图8中可以看出，当脉冲重复频率大于等于50 Hz时，微秒脉冲滑动放电的工作电压基本保持不变，为14.4 kV。这是由于放电通道位置基本一致，且记忆效应影响甚微，因此其工作电压基本保持不变。当脉冲重复频率小于50 Hz时，随着脉冲重复频率的减小，微秒脉冲滑动放电工作电压的变化范围逐渐增大。脉冲重复频率为25 Hz时工作电压的变化范围为14.2 ～15.4 kV，而1 Hz时工作电压的变化范围为20～24 kV。

2.4讨论

脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电影响显著，通过调节脉冲重复频率，可以改变相邻两个脉冲之间的时间间隔，从而改变驻留粒子记忆效应的影响[31]。当脉冲重复频率不超过500 Hz时，微秒脉冲滑动放电在单位时间内的火花通道较少，放电较弱。放电通道主要集中在电极间隙最窄处和刀型电极底部尖端处，并且火花通道的长度基本相同。这是由于相比驻留粒子记忆效应的影响，气体流量的影响占主导。脉冲重复频率较低时，相邻两个脉冲之间的时间间隔较长，在气流的作用下，放电产生的活性粒子沿气流方向扩散距离较大，在下一个脉冲来临时，电极间隙内驻留的活性粒子较少，大多数活性粒子可能已经扩散到刀型电极间隙之外或刀型电极间隙较宽处。因此，即使在少量驻留粒子的辅助下，较宽间隙处的击穿电压也大于最窄间隙的击穿电压，所以，在下一个脉冲来临时，火花放电通道仍然在电极间隙最窄处附近产生。通过对比不同脉冲重复频率的放电图像可以得出，火花通道优先在刀型电极底部尖端处产生。这是由于在相同的距离时，尖端的击穿电压低于其他位置的击穿电压。当脉冲重复频率小于等于100 Hz时，仅存在一条火花通道。而当脉冲重复频率超过100 Hz时，在刀型电极底部尖端处的放电通道较其他位置的放电通道的直径大。这是由于电极底部的放电通道是由多条放电通道之间相互叠加造成的。并且随着脉冲重复频率的增大，该条放电通道的直径逐渐减小。这是因为在气流的作用下，活性粒子向上移动，一部分驻留在其他较窄间隙处，在驻留粒子的辅助作用下，该位置的击穿电压低于电极底部的击穿电压，当下一个脉冲来临时，火花通道将在此位置形成。放电图像是一定脉冲数量形成的火花通道的积分。因此，频率越大，电极底部火花通道直径越小。当脉冲重复频率为200 Hz时，在电极间隙内出现了两条火花通道。这一现象可以说明，当脉冲重复频率为200 Hz时，驻留粒子的记忆效应已经开始对滑动放电产生了影响。这一结论与文献[32]中相应结果相似。与本文不同的是，文献[32]对线-板电极正流注进行了研究，发现当脉冲重复频率达到400 Hz时，记忆效应开始作用，脉冲重复频率对正流注产生影响。本文中放电为滑动放电，电压工作范围比文献[32]的高，因此记忆效应起作用的频率要低。

当脉冲重复频率为800～1 500 Hz时，相邻两个脉冲之间的时间间隔与气体流量基本匹配，此时驻留粒子的记忆效应和气体流量共同主导放电过程。在气流的作用下，前一次放电产生的活性粒子在相邻两个脉冲的时间间隔内扩散，在下一个脉冲来临时，活性粒子沿气流方向扩散距离较小且合适，它们将会辅助其所在间隙处火花通道的形成。随着滑动放电通道向上发展，聚集的活性粒子的数量逐渐增多，这种辅助作用也逐渐增强。此外，活性粒子的增多引起击穿电压的减小和电极间隙的增大引起击穿电压的增大之间存在一个极值。在这两个因素的共同作用下，滑动放电不能一直向上发展，使得火花通道有一个最大高度。因此，可以观察到火花通道沿电极向上滑动。由于相机拍摄到的放电图像是20个脉冲形成的火花通道的积分，因此，此时火花通道按照上述原理向上滑动达到最大高度。随着脉冲重复频率的增大，单位时间内电极间隙中驻留的活性粒子数量逐渐增多，驻留粒子的记忆效应逐渐增强，火花通道能够达到的高度逐渐增大。

3　结论

本文采用微秒脉冲电源作用在刀型电极上，产生滑动放电，并对微秒脉冲滑动放电的特性进行了研究。结果表明在发生击穿形成滑动放电通道的瞬间，电压迅速减小，电流迅速增大，并在电压峰值对应的时刻，出现了一个小尖峰，约12 A。而文献[16]中采用交流电源驱动滑动放电，在形成滑动放电的瞬间也出现了电压迅速减小，电流具有一个小尖峰的现象。进一步说明电压、电流的变化规律与放电形式有关。滑动放电通道顺着气流的方向沿刀型电极刃面向上滑动，高度可以达到29 mm，长度可以达到43 mm，并且各条放电通道彼此分散。此外，本文分别从高脉冲重复频率(500～1 500 Hz)和低脉冲重复频率(1～300 Hz)两个方面研究脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电的影响。通过分析不同脉冲重复频率的放电图像、击穿电压和工作电压，得出脉冲重复频率对滑动放电的影响规律。当脉冲重复频率较高(500～1 500 Hz)时，随着脉冲重复频率的增大，微秒脉冲滑动放电逐渐向上发展，发生火花放电的最高位置逐渐向刀型电极的刀尖处靠拢。并且火花通道的长度和高度逐渐增大，各条火花通道逐渐分散。微秒脉冲滑动放电的击穿电压逐渐减小，工作电压逐渐分散，工作电压变化范围逐渐增大。这与驻留粒子的记忆效应和电极间隙的变化有关。当脉冲重复频率较低(1～300 Hz)时，由于气流的作用，电极间隙内驻留的粒子较少，其记忆效应对滑动放电的影响较弱，火花通道不能沿刀型电极刃面向上滑动。

[1]Shao Tao，Zhou Yixiao，Zhang Cheng，et al.Surface modification of polymethyl-methacrylate using atmospheric pressure argon plasma jets to improve surface flashover performance in vacuum[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2015，22(3)：1747-1754.

[2]周亦骁，方志，邵涛.Ar/O2和Ar/H2O中大气压等离子体射流放电特性的比较[J].电工技术学报，2014，29(11)：229-238.

Zhou Yixiao，Fang Zhi，Shao Tao.Comparison of discharge characteristics of atmospheric pressure plasma jet in Ar/O2and Ar/H2O mixtures[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(11)：229-238.

[3]卢新培，严萍，任春生，等.大气压脉冲放电等离子体的研究现状与展望[J].中国科学：物理学 力学 天文学，2011，41(7)：801-815.

Lu Xinpei，Yan Ping，Ren Chunsheng，et al.Review on atmospheric pressure pulsed DC discharge[J].Science Sinica (Physica Mechanica Astronomica)，2011，41(7)：801-815.

[4]丁正方，方志，许靖.四氟化碳含量对大气压 Ar 等离子体射流放电特性的影响[J].电工技术学报，2016，31(7)：159-165.

Ding Zhengfang，Fang Zhi，Xu Jing.Influence of CF4 content on discharge characteristics of argon plasma jet under atmospheric pressur[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31(7):159-165.

[5]荣命哲，刘定新，李美，等.非平衡态等离子体的仿真研究现状与新进展[J].电工技术学报，2014，29(6)：271-282.

Rong Mingzhe，Liu Dingxin，Li Mei，et al.Research status and new progress on the numerical simulation of non-equilibrium plasmas[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(6):271-282.

[6]Arp O，Caliebe D，Menzel K O，et al.Experimental investigation of dust density waves and plasma glow[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2010，38(4)：842-846.

[7]Pustylnik M Y，Hou L，Ivlev A V，et al.High-voltage nanosecond pulses in a low-pressure radio-frequency discharge[J].Physical Review E，2013，87(6)：063105.

[8]林涛，韩冬，钟海峰，等.工频交流电晕放电下SF6气体分解物形成的影响因素[J].电工技术学报，2014，29(2)：219-225.

Lin Tao，Han Dong，Zhong Haifeng，et al.Influence factors of formation of decomposition by-products of SF6in 50 Hz AC corona discharge[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(2)：219-225.

[9]汪沨，李锰，潘雄峰，等.基于FEM-FCT算法的 SF6/N2混合气体中棒-板间隙电晕放电特性的仿真研究[J].电工技术学报，2013，28(9)：261-267.Wang Feng，Li Meng，Pan Xiongfeng，et al.Corona discharge simulations of rod-plate gap in SF6/N2gas mixtures using FEM-FCT method[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(9)：261-267.

[10]周杨，姜慧，章程，等.纳秒和微秒脉冲激励表面介质阻挡放电特性对比[J].高电压技术，2014，40(10):3091-3097.

Zhou Yang，Jiang Hui，Zhang Cheng，et al.Comparison of discharge characteristics in surface dielectric barrier discharge driven by nanosecond and microsecond pulsed powers[J].High Voltage Engineering，2014，40(10):3091-3097.

[11]章程，周中升，王瑞雪，等.大气压下纳秒脉冲弥散放电对铜的表面处理[J].高电压技术，2015，41(5)：1458-1465.

Zhang Cheng，Zhou Zhongsheng，Wang Ruixue，et al.Modification of copper surface by nanosecond-pulse diffuse discharges at atmospheric pressure[J].High Voltage Engineering，2015，41(5)：1458-1465.

[12]Zhang Cheng，Shao Tao，Xu Jiayu，et al.A gliding discharge in open air sustained by high-voltage resonant AC power supply[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2012，40(11)：2843-2849.

[13]Dalaine V，Cormier J M，Lefaucheux P.A gliding discharge applied to H2S destruction[J].Journal of Applied Physics，1998，83(5)：2435-2441.

[14]Wright K C，Kim H S，Cho D J，et al.New fouling prevention method using a plasma gliding arc for produced water treatment[J].Desalination，2014，345(28)：64-71.

[15]Fridman A，Gutsol A，Gangoli S，et al.Characteristics of gliding arc and its application in combustion enhancement[J].Journal of Propulsion and Power，2008，24(6)：1216-1228.

[16]Kusano Y，Salewski M，Leipold F，et al.Stability of alternating current gliding arcs[J].The European Physical Journal D，2014，68(10)：319.

[17]Zhu Jiajian，Gao Jinlong，Li Zhongshan，et al.Sustained diffusive alternating current gliding arc discharge in atmospheric pressure air[J].Applied Physics Letters，2014，105(23)：234102.

[18]Zhu Jiajian，Gao Jinlong，Ehn A，et al.Measurements of 3D slip velocities and plasma column lengths of a gliding arc discharge[J].Applied Physics Letters，2015，106(4)：044101.

[19]Kusano Y，Sørensen B F，Andersen T L，et al.Water-cooled non-thermal gliding arc for adhesion improvement of glass-fibre-reinforced polyester[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2013，46(13)：135203.

[20]Kusano Y，Zhu Jiajian，Ehn A，et al.Observation of gliding arc surface treatment[J].Surface Engineering，2015，31(4)：282-288.

[21]Kolev S，Bogaerts A.A 2D model for a gliding arc discharge[J].Plasma Sources Science and Technology，2015，24(1)：015025.

[22]Zhao Tianliang，Liu Jinglin，Li Xiaosong，et al.Temporal evolution characteristics of an annular-mode gliding arc discharge in a vortex flow[J].Physics of Plasmas，2014，21(5)：053507.

[23]邵慧丽，邵涛，章程，等.常压单极性纳秒脉冲 DBD模式的实验研究[J].高压电器，2012，48(8)：28-33.

Shao Huili，Shao Tao，Zhang Cheng，et al.Experimental study on mode of dielectric barrier discharge driven by repetitive nanosecond pulses at atmospheric pressure[J].High Voltage Apparatus，2012，48(8)：28-33.

[24]黄伟民，邵涛，张东东，等.小型高压重复频率微秒脉冲电源及其放电应用[J].强激光与粒子束，2014，26(4)：272-278.

Huang Weimin，Shao Tao，Zhang Dongdong，et al.A compact high voltage microsecond pulse power supply and its discharge application[J].High Power Laser and Particle Beams，2014，26(4)：272-278.

[25]Pai D Z，Lacoste D A，Laux C O.Nanosecond repetitively pulsed discharges in air at atmospheric pressure—the spark regime[J].Plasma Sources Science and Technology，2010，19(6)：65015-65024.

[26]Pai D Z，Stancu G D，Lacoste D A，et al.Nanosecond repetitively pulsed discharges in air at atmospheric pressure—the glow regime[J].Plasma Sources Science and Technology，2009，18(4)：991-993.

[27]Zhang Cheng，Shao Tao，Yan Ping，et al.Nanosecond-pulse gliding discharges between point-to-point electrodes in open air[J].Plasma Sources Science and Technology，2014，23(3)：841-852.

[28]Zhang Cheng，Shao Tao，Ma Hao，et al.Comparison of μs-and ns-pulse gliding discharges in air flow[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2014，42(10)：2354- 2355.

[29]牛宗涛，章程，马云飞，等.气流对微秒脉冲滑动放电特性的影响[J].物理学报，2015，64 (19)：0195204.

Niu Zongtao，Zhang Cheng，Ma Yunfei，et al.Effect of flow rate on the characteristics of repetitive microsecond-pulse gliding discharges[J].Acta Physica Sinica，2015，64(19)：0195204.

[30]章程，顾建伟，邵涛，等.大气压空气中重复频率纳秒脉冲气体放电模式研究[J].强激光与粒子束，2014，26(4)：045029.

Zhang Cheng，Gu Jianwei，Shao Tao，et al.Study on discharge mode in the repetitive nanosecond-pulse discharge in atmospheric pressure air[J].High Power Laser and Particle Beams，2014，26(4)：045029.

[31]章程，邵涛，严萍.大气压下纳秒脉冲弥散放电[J].科学通报，2014，59(20)：1919-1926.

Zhang Cheng，Shao Tao，Yan Ping.Nanosecond-pulse diffuse discharges at atmospheric pressure[J].Chinese Science Bulletin，2014，59(20)：1919-1926.

[32]Winands G J J，Liu Z，Pemen A J M，et al.Temporal development and chemical efficiency of positive streamers in a large scale wire-plate reactor as a function of voltage waveform parameters[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2006，39(14)：3010-3017.

Experimental Study on the Effect of the Pulse Repetition Frequency on the Characteristics of Microsecond-Pulse Gliding Discharges

Niu Zongtao1，2Zhang Cheng1，3Wang Ruixue1，3Chen Genyong2Shao Tao1，3

(1.Institute of Electrical EngineeringChinese Academy of SciencesBeijing100190China 2.School of Electrical EngineeringZhengzhou UniversityZhengzhou450001China 3.Key Laboratory of Power Electronics and Electric DriveChinese Academy of SciencesBeijing100190China)

Pulsed gliding discharges can generate non-thermal plasmas with high-energy and high electron density at atmospheric pressure，which have widely application prospects in the fields of effluent treatment，ignition and combustion，and methane conversion.In this paper，in order to investigate the characteristics of the microsecond-pulse gliding discharges，experimental studies of the gliding discharges at different pulse repetition frequencies (PRFs) are carried out by using a lab-made microsecond-pulse generator.The experimental results show that spark channels moved along the blade of the sword electrodes in a fast air flow and in the flow direction at atmospheric pressure.The highest altitude of the spark channel reaches 29 mm and the longest length of the spark channel is 43 mm.Moreover，the spark channels dispersed with each other.Furthermore，the results of the effect of the PRF on the characteristics of microsecond-pulse gliding discharges show that，in the case of high PRF (500～1 500 Hz)，the spark channels gradually moves upwards with the increase of the PRF，and the highest altitude of the spark channel moves towards the tool nose.As the PRF increased，the breakdown voltage is decreased and the working voltage is dispersed.Such variation is closely related to the memory effect of the residual particles and the change of the electrode distance.In the case of low PRF (1～300 Hz)，because the memory effect of the residual particles has less effect on the gliding discharges in air flow，spark channels cannot move upwards along the blade of the sword electrodes.

Microsecond-pulse，gliding discharges，pulse repetition frequencies，memory effect

国家自然科学基金(51222701，51477164)和新能源电力系统国家重点实验室开放课题(LAPS16013)资助项目。

2015-07-05改稿日期2015-08-03

TM89；TM213

牛宗涛男，1989年生，硕士研究生，研究方向为高电压脉冲等离子体应用。

E-mail：niuzongtao@mail.iee.ac.cn

邵涛男，1977年生，博士，研究员，博士生导师，研究方向为高电压技术、脉冲功率技术和放电等离子体应用。

E-mail：st@mail.iee.ac.cn(通信作者)