静电式空气净化器电晕及电弧噪声实验研究1

刘立翠, 李树然, 郑钦臻, 刘 振, 闫克平

(浙江大学 化学工程与生物工程学院 工业生态与环境研究所, 浙江 杭州310027)

1 前 言

随着空气污染的加重和人们生活水平的提高，人们对室内空气质量的要求在不断提高[1-2]。空气净化器已逐渐成为人们生活中的一种必需品，广泛应用于办公室、卧室、医院、汽车车舱等场所[3]。目前国内市场销售的空气净化器种类繁多，常用的净化手段可以分为3 类：机械滤网式、光催化氧化以及静电除尘式[4]。机械滤网式空气净化器由于其高捕集效率和低成本而备受消费者青睐，然而其替换下来的滤芯难以重复使用，属于一次性消耗品[5]。此外若滤芯替换周期过短则经济性不强，周期过长又易造成净化效率下降和二次污染[6]。光催化氧化技术利用紫外线照射光催化剂产生电子和空穴，进而氧化其表面吸附的水分子以形成 ·OH 等活性基团，最终将空气中的VOCs (volatile organic compounds)降解为CO2和H2O 等[7-8]。其缺点在于降解过程所需反应时间长，总净化量和净化效果之间难以平衡[9-11]。

静电式空气净化器通过电晕放电使含尘气流中的尘粒荷电，带电尘粒在电场力作用下定向移动，最终被集尘板捕获，从而实现将颗粒污染物从空气中分离的目的[12]。此类净化器具备气流阻力小、洁净效率高、易拆卸清洗、无耗材等优点[13]。然而在实际运行中该类净化器仍存在诸多问题。近年来，关于静电式空气净化器的拆卸清洗和臭氧问题的研究众多[14-18]，但关于其在运行过程中的电晕放电和伴生电弧产生可听噪声的研究提及甚少。净化器在运行过程中产生的噪声尤其是电弧噪声严重影响用户体验，并带来安全隐患。同时，电弧放电也影响净化效率，因此开展静电式空气净化器电晕和电弧放电的噪声研究对该技术的推广有重要意义。

关于电晕噪声的研究，INGARD 给出了放电过程中等离子体声波产生的机理，随后又提出了弱电离气体中声波放大的原理[19-20]。FITAIRE 等验证了弱电离气体中声波传播的规律[21]。MATSUZAWA 在35 kV直流放电叠加交流放电基础上，对多针-板式电晕放电产生的声波特性进行了实验[22]。CHIZHOW 对临近击穿的放电声波进行了模拟[23]。国内的电晕噪声研究主要集中在高压输电线路领域，亦能够为电晕噪声的研究提供一定参考依据。在电弧噪声方面，BAKER 最早通过实验发现嘶声电弧噪声与电弧电流的不规则振荡呈正相关[24]。随后EATHER 利用数值分析方法发现放电和噪声之间的强关联性[25]。DROUET 也给出了一些电弧特性的数值模拟，但电流强度都集中在kA 级别[26]。AYRTON 研究了电弧长度与电流、电压的关联，提出当火花放电转变为电弧放电时，电压下降10 V 的同时电流急剧上升2～3 A[27]。

本文采用一种家用静电型空气净化器和自主设计的电弧模拟发生装置，利用该空气净化器配套的直流高压电源，通过调节电路中的线路阻抗和充电电容，探索电晕噪声、电弧噪声的大小与放电特性的关系，为降低电晕噪声、抑制电弧噪声提供初步方法。

2 实验装置与方法

为了分别探索电晕噪声、电弧噪声与放电特性的关系，实验包括两部分：第一部分通过调节线路阻抗和充电电容探索电晕噪声与电气特性之间的联系；第二部分通过放电间隙、线路阻抗和充电电容探索电弧噪声与电气特性之间的关系。

2.1 电晕噪声实验

2.1.1 实验装置

电晕噪声实验装置如图1 所示，可分为放电单元和检测单元。放电单元包括直流电源和除尘模块，其中高压直流电源额定输出电压6.8 kV，额定输出电流 300 μA。除尘模块尺寸为 610 mm × 52 mm ×230 mm，由线板放电的电离区和板板结构的集尘区构成，电离区钨丝和集尘区高压极板上的高压由同一高压直流电源提供。检测单元包括直流微安表、Northstar 高压探头(1 000:1)、Tektronix 示波器、噪声检测仪和索尼α6300 相机。为了屏蔽放电过程中的电磁干扰，将噪声检测仪等仪器及其线缆置于屏蔽网中。实验测试时除尘模块、相机、噪声检测仪均放在不透光的暗箱中。

图1 电晕噪声实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the corona noise experimental setup

2.1.2 实验方法

电晕噪声实验变量包括电阻R1 和R2 的阻值、高压直流电源充电电容容值。静电除尘器运行时，用噪声检测仪记录5 min 的电晕噪声分贝值，再求取其时域均值作为特征值。流经除尘器的运行电流由微安表μA1 读取，运行电压由Tektronix 示波器和Northstar 电压探头(1 000:1)测得，同时用相机记录下不同条件下的电晕放电现象。

2.2 电弧噪声实验

2.2.1 实验装置

电弧噪声实验装置示意图如图2 所示，与电晕放电实验装置类似，不同的是电弧发生时的电流是用Pearson 电流探头6585 (1:1)和Tektronix 示波器监测的。由于实验时，净化器的电弧放电发生具有随机性，无法持续产生，因此采用自制电弧发生装置。自制的电弧模拟发生装置是一种针-针式火花隙，采用3 组针-针放电和单组针-针放电的布置方式，其发生电弧放电时与空气净化器电弧放电具有相同的性质。电极直径为0.6 mm，针-针间距在1～7 mm 可调。3 组针-针放电时，组与组之间的间隔为13 cm。

2.2.2 实验方法

电弧噪声实验变量包括串联电阻阻值、针-针对组数、针-针间距、高压直流电源电容容值。实验中，用示波器记录电弧发生时的电流和电压曲线。用噪声检测仪记录不同实验条件下5 min 内的电弧噪声曲线并求其噪声均值。在放电间距为3 mm 时，电弧的典型电流电压波形图如图3 所示。3 mm 间隙时3 针-针电弧放电照片如图4 所示。

图2 电弧噪声实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the arc noise experimental setup

图3 电弧放电时的典型电流电压波形Fig.3 Typical current and voltage waveforms during arc discharge

图4 典型电弧放电照片Fig.4 Typical arc discharge photo

3 结果与讨论

3.1 电晕噪声

3.1.1 电流电压与电晕噪声的关系

实验分两步进行，首先通过调节除尘模块的并联电阻，使得通过除尘模块的电流分别为217.5、183、154、94 和40 μA。用噪声检测仪记录不同电流条件下5 min 内的典型电晕噪声时域曲线，如图5 所示，平均电晕噪声等级随电晕电流的减小而降低。同时电晕放电照片显示流经除尘模块的电晕电流越小，电晕放电越弱，电晕流光分布也越不均匀。另外，在电晕放电过程中，会出现偶发的火花放电，造成噪声曲线尖峰。这种现象表明，在实际使用过程中，电晕放电并非完全稳定，容易发生局部波动，从而产生电弧放电，造成噪声污染。

随后将除尘模块与电阻串联，串联电阻阻值在0～4 080 kΩ，除尘模块与不同阻值电阻串联时的电流、电压和噪声曲线如图6 所示。随着串联电阻阻值的增加，运行电压略有下降，未串联电阻时电压最高，为 6.36 kV；串联电阻阻值为4 080 kΩ 时，运行电压最低，为6.2 kV；串联电阻阻值在1～3 060 kΩ，电压基本保持不变，约 6.28 kV。运行电流随串联电阻阻值的增大呈下降趋势，在电阻阻值为 0～2040 kΩ之间下降缓慢，在2 040～4 080 kΩ 时下降较快，电阻每增加510 kΩ，电流下降10～20 μA，同时电晕噪声与电流下降的趋势基本一致，随阻值增加，从47.7 降至 44.3 dB。电晕噪声强度与电晕电流的大小呈正相关，当电晕电流减少时，电晕噪声强度能够随之降低。但电晕电流与荷电和除尘效率亦有关联，因此应该通过调节合理的电晕电流，从而平衡电晕噪声和除尘效率。

3.1.2 充电电容的影响

实验时直流高压电源与除尘模块直接连接，改变直流高压电源上的充电电容，每一组容值下的电晕噪声、运行电流和运行电压如图7 所示。电容增大到27 pF 以后，该高压电源已经能够维持稳定的输出高压，除尘单元的运行电压、运行电流不再随充电电容的增加而发生变化，此时电晕噪声也基本保持不变。电容低于27 pF 时，尽管电晕噪声明显降低，但同时充电电压和电流也会显著降低，容易影响收尘特性。

图5 并联不同电阻时电晕噪声与电流的关系Fig.5 Correlation between corona noise and current when paralleling different resistors

3.2 电弧噪声

3.2.1 针-针间距的影响

实验时电源与自制模拟电弧发生装置直接连接，三组针-针放电针尖间距以1 mm 为间隔，从1 增至7 mm，记录5 min 内的噪声曲线如图8。单组针-针放电针尖间距从1 增至6 mm，不同电极间距下5 min 内的噪声曲线如图9。单组针尖在7 mm 的间距条件下，由于无法持续产生电弧放电，因此未进行电弧噪声的测试。3 组和单组电极的设置目的是测试净化器在不同位置发生电弧放电时的噪声差别。不同间距下3 组和单组针-针放电的噪声均值如图10 所示，1、3 和5 mm 3 个间距下串联不同阻值电阻时单针-针电弧放电的电压电流最大值曲线如图11 所示。

图6 串联不同电阻时电晕噪声与电流电压的关系Fig.6 Relationship between voltage, current and corona noise when connecting different resistors

图7 更换不同电容时电晕噪声与电流电压的关系Fig.7 Relationship between voltage, current and corona noise when replacing different capacitor

图8 不同间距下三针-针电弧放电噪声曲线Fig.8 Three sets of needle-needles’ arc noise at different gaps

图9 不同间距下单针-针电弧放电噪声曲线Fig.9 One set of needle-needles’ arc noise at different gaps

图10 不同间距下单组针-针放电与三组针-针放电的噪声均值Fig.10 Noise comparison of three sets of needle-needle discharge and one set of needle-needle discharge at different gaps

图11 不同间距下电流电压与串联电阻的关系Fig.11 Relationship between peak current and voltage at different gaps

由图8、9 可以看出随着电极间距的增加，无论电极组数多寡，电弧噪声均有增加的趋势，3 间隙情况下噪声的扰动更大。结合图10 可以看出3 组针-针放电的电弧噪声均值低于单组，其原因可能是3 组针-针放电电弧发生的位置具有随机性，有可能在远离噪声检测仪的位置发生电弧放电，同时，3 针同时发生电弧放电使放电电流有所降低。另外电弧发生时噪声分贝值在74～88 dB，远高于电晕噪声。最后从图11 可以看出随着针尖间隙的增加，电压和电流峰值都随之增加。这可能是因为放电间隙增加导致线路阻抗增加，充电电容电荷积累难以及时释放，从而使得电极两端电压和电流也随之增加，电弧噪声也有所提高。

3.2.2 电流电压与电弧噪声的关系

单组针-针放电，保持针尖间距 3 mm 不变，串联阻值不同的电阻，记录每一组阻值下的电弧噪声、运行电流的最大值、电压的最大值，如图12 所示。

图12 串联不同电阻时电弧噪声与电弧电流电压的关系Fig.12 Relationship between voltage, current and hissing arc noise when connecting different resistors

从图 12 可以看出，随着串联电阻阻值的增大，电弧噪声均值先降低后升高，在增加串联电阻至510 kΩ 时，噪声均值最小。该阻值下电弧噪声有显著下降，噪声均值从85 降至63 dB，但在通过噪声时域曲线可以发现电弧噪声值波动较大，在55～75 dB 反复。此外，电流最大值变化趋势与电弧噪声均值变化趋势几乎一致。一般而言，电弧噪声的强度与电弧电流呈正相关[24]，如果能降低电弧电流的大小，存在降低噪声的可能性。但电弧并非简单的阻性阻抗，在起弧后，维持电弧所需的电流非常小，只有mA 级别。因此，增加串联电阻阻值并不明显改变电流，即难以在不影响正常放电的条件下，降低电弧电流而达到抑制电弧噪声的目的。从图 12 还可以看出电弧发生时，电极两端电压值随着阻值的增大有明显上升的趋势，可能是由于阻抗的增加，电极间释放电荷的难度增加，充电电容上累积的电荷使得电压会有所提高。

3.2.3 充电电容的影响

单针-针放电且间距为3 mm，直流高压电源与反应器之间不串电阻直接连接，更换直流高压电源上的电容(直流高压电源自带的电容容值为 470 pF)，记录每一组容值下的电弧噪声、起弧电流的最大值、起弧电压的最大值，如图13 所示。

事实上，放电电流与充电电容有极大的关联。从图13 可以看出，随着充电电容容值的增大，电弧噪声呈下降趋势。另外从电压电流来看，运行电压峰值亦有明显的下降，电流总体也呈现下降的趋势。其原因可能是充电电容容值越大，充电和放电速度越慢，当电容增大到一定程度后，电容难以满足电弧放电的速度，从而使得放电电流降低，电弧噪声也随之下降。可见容值越小的电容反而使电弧噪声越大，而当容值增至470 pF 以后，继续提高容值对整体电流、电压的输出几乎没有影响，电弧噪声也不变。

图13 更换不同电容时电弧噪声与电流电压的关系Fig.13 Relationship between peak voltage, peak current and arc noise when replacing different capacitors

4 结 论

通过调节线路阻抗、放电间隙、充电电容等研究静电式空气净化器电晕噪声、电弧噪声与电流电压的关系，得到以下结论：

1) 净化器正常运行的电晕噪声在44.3～48 dB，电晕噪声的强度与运行电流的大小呈明显正相关，增加线路阻抗或减小充电电容，可以降低放电电流，从而削弱电晕噪声，但同时影响除尘特性。

2) 电弧噪声在55～88 dB，一旦发生电弧放电会对人明显的干扰。相同条件下，起弧电流和运行电压均随电极间距的增加而增大，电弧噪声强度与起弧电流也呈现一定的正相关，增加线路阻抗虽然存在降低电弧噪声的可能性，但难以抑制电弧的产生。

3) 低电容情况下，运行电压和电弧电流峰值都比470 pF 时大，电弧噪声也更加明显，当电容容值达470 pF 后，电流电压的输出都趋于稳定，继续增加电容对电流和电压的输出无明显影响，电弧噪声也保持不变。

初步的实验结果表明目前已有的一些限制电流大小的方法，譬如增加线路阻抗、改变充电电容等并不能简单应用。在此基础上，可以从两个方面采取措施降低净化器运行过程中的电晕噪声及偶发性的电弧噪声，一方面通过电源主动控制，在电弧发生时自动断电从而阻断电弧的发生；另一方面通过调整除尘模块的结构如改变集尘板间距或荷电线结构等，在不影响除尘特性的情况下尽可能降低电晕噪声。