[论文解读] Dielectric Barrier Corona Discharge Anomaly by Ionic Wind under Unipolar Voltage Excitation

Gan fu|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2026

High voltage insulation and dielectric phenomena被引用 0

一句话总结

本研究在单极半正弦电压下，探讨介电屏蔽层控制的辉光放电中出现的异常后放电移动，通过离子风模型解释并得到多种绝缘体与FEP电缆的实验验证。给出数值模型和PRPD分析，展示表面电荷、材料特性、气隙与几何对放电模式的影响。

ABSTRACT

An anomalous back discharge movement phenomenon is induced by a set of dielectric barrier corona discharges (DBCD) at unipolar half-sine voltage waveforms, where the back discharge has a time delay that relates to the applied voltage level. An ionic wind model is employed to analyze the physical behavior. Theoretical explanation and quantitative analysis are presented in this study based on abundant experimental results of 5 typical insulating materials and a FEP insulating cable. A numerical model is derived, which indicates that the back discharge can be activated under a relatively low potential voltage level in this study. The results highlight that the back discharge movement phenomenon behaves distinctly under half-sine voltage with negative polarity, yielding a significantly different partial discharge (PD) pattern with positive polarity. Besides, PD amplitude dependent on dielectric thickness is demonstrated by plotting in phase resolved partial discharge (PRPD) pattern. Furthermore, comparative experiments are conducted with respect to the variation of air gap length and dielectric geometry, manifesting different influences on PD amplitude.

研究动机与目标

• 在负极性单极半正弦激励下研究放电衰减期内的异常后放电移动。
• 理解离子风与表面电荷动力学在不同材料与几何结构中对放电模式的影响。
• 量化绝缘厚度、气隙、材料电阻率与几何对后放电振幅和位置的影响。

提出的方法

• 使用带有90 ms衰减期的单极半正弦电压波形来研究后放电移动。
• 采用时域放电测量，利用MATLAB处理和基于PSA的PRPD可视化。
• 在针-平面和针-电缆几何中测试六种绝缘材料（PTFE、PE、PC、PVC、压制板和FEP电缆）。
• 为针-平面几何建立包含离子风效应与表面电荷动力学的数值模型。
• 在选定触发电压（7.6、10、13.6 kV）下分析三阶段后放电模式（S1、S2、S3）。
• 将Peek的起始电压与Kaptsov假说用于框定模型中的放电起始。

实验结果

研究问题

• RQ1 离子风如何影响在负极性单极半正弦激励下衰减期内后放电簇的分布与移动？
• RQ2 绝缘厚度、气隙长度、材料电阻率与几何如何影响放电振幅及后放电位置？
• RQ3 为何在负半正弦激励下的后放电移动显著不同于正半正弦激励？
• RQ4 施加电压水平、表面电位与各材料的后放电振幅之间存在哪些关系？
• RQ5 是否存在一个预测模型能重现实验观察到的PRPD模式和后放电阶段？

主要发现

• 在负半正弦激励下，后放电簇在衰减期内随电压增大而移动，且在较高电压时最终消失。
• 平均放电振幅随电压增大而下降，因为更强的离子风降低了表面电荷密度。
• 表面电阻率较高的材料显示出较低的后放电振幅，表明表面电荷动力学主导模式形成。
• 较薄的绝缘需要较低的触发电压进入每一后放电阶段，因为净电场和表面电势发生变化。
• 气隙长度决定离子风的传播；较大间隙提升触发电压并普遍降低放电振幅；极小间隙会抑制后放电，偏向干线放电。
• 针-电缆几何在放电分布趋势上与之类似，但因有效表面减少而需要更高的触发电压。
• 在本研究条件下，压制板由于导电性更高且电荷耗散，未出现后放电，说明材料依赖性对电荷机制的主导作用。