沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台及方法

本发明涉及输电工程，特别是涉及一种沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台及方法。

背景技术：

1、随着中国西部沙漠地区高压直流输电项目的迅速发展，沙尘暴环境中高压直流输电线路周围的离子流场问题受到关注。高压直流输电线路的电晕放电会产生带电离子，这些离子在电场力作用下分散在周围空间中，对原先的电场产生影响，这种耦合场被称作离子流场。研究表明高压直流输电线路附近的介质颗粒会对离子流场有显著影响，该影响产生的原因是，介质颗粒在离子流中与离子碰撞后荷电，这些带电颗粒会生成电场并反过来影响离子流场。国标gb-39220明确规定了高压直流输电线路下的地面电场限值。因此明确沙粒在离子流场中的荷电特性对于预测沙尘暴环境对离子流场的影响是必要的，这将为输电工程设计提供重要参考。

2、在现有颗粒物荷电特性的成熟测量方法中，绝大多数方法仅适用于粒径50微米以下的细小悬浮尘埃；对于粒径可达100微米及以上的沙尘颗粒，目前尚无能够精准测量其带电量的专用设备。刘云鹏等人曾设计了一套用于测量颗粒物荷电量的实验平台，但该平台存在无法调控颗粒荷电时间的缺陷，在对大粒径沙粒进行荷电测量时，沙粒实际荷电时间远短于其实现充分荷电所需的时间，导致难以准确获取大粒径沙粒的荷电特性参数，无法满足相关研究需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，包括荷电模块和设置于所述荷电模块底部的上升气流生成模块及荷电量测量模块；

4、所述荷电模块包括荷电外壳和设置于所述荷电外壳内的接地极板、高压极板、电晕丝板，所述接地极板竖向设置且固定于所述荷电外壳的一侧第一侧壁上，所述高压极板和电晕丝板竖向设置且固定于所述荷电外壳的另一侧的第二侧壁上，所述电晕丝板设置于所述高压极板与所述第二侧壁之间，所述接地极板上设置有场磨式电场仪和离子流板线，所述接地极板与所述高压极板之间为离子流场区域；所述荷电外壳的顶部开口处设置有可震动筛网，所述可震动筛网用于震动放置其上的待研究沙尘颗粒下落；

5、所述荷电外壳底部为用于安装所述上升气流生成模块和荷电量测量模块的下外壳，所述荷电外壳的内腔与所述下外壳的内腔相通；

6、所述上升气流生成模块包括设置于所述下外壳壳底的风扇组，所述荷电量测量模块包括设置于所述下外壳壳底的法拉第杯，所述法拉第杯连接静电计，所述法拉第杯用于收集下坠的已荷电沙尘颗粒，所述静电计用于读取所收集沙粒的总荷电量；

7、所述下外壳的内腔通道内还设置有蜂窝状稳流通道。

8、在一些实施方式中，所述荷电外壳与所述下外壳均为亚克力板制成的立方体外壳。

9、在一些实施方式中，所述荷电外壳与所述下外壳之间通过亚克力板制成的棱台形的连接外壳连接。

10、在一些实施方式中，所述荷电外壳的第一侧壁上设置有固定孔一、场磨孔一和走线孔一；

11、所述固定孔一设置于所述第一侧壁的四角处，所述固定孔一用于穿过绝缘树脂固定棒并通过所述绝缘树脂固定棒连接所述接地极板；

12、所述场磨孔一设置于所述第一侧壁的中部，所述接地极板上与场磨孔一对应位置设置有场磨孔二，所述场磨孔一和场磨孔二用于安装场磨式电场仪；

13、所述走线孔一设置于所述场磨孔一的底部，用于引出所述场磨式电场仪的场磨线、离子流板线和接地极板的接地线。

14、在一些实施方式中，所述荷电外壳的第二侧壁上设置有固定孔二和走线孔二；

15、所述固定孔二设置于所述第二侧壁的四角处，所述固定孔二用于穿过绝缘树脂固定棒并通过所述绝缘树脂固定棒依次连接所述电晕丝板和高压极板；

16、所述走线孔二用于引出所述电晕丝板的电晕丝线和高压极板的高压线。

17、在一些实施方式中，所述接地极板为实心不锈钢板。

18、在一些实施方式中，所述高压极板为与所述接地极板相同尺寸的带框导线网，所述高压极板的边框为导体不锈钢边框，所述高压极板的边框内的导线为不锈钢导线，所述不锈钢导线之间呈现网状设置，且所有导线均与边框电气连接。

19、在一些实施方式中，所述电晕丝板为与所述接地极板相同尺寸的带框导线丝，所述电晕丝板的边框为导体不锈钢边框，所述电晕丝板的边框内的导线丝为不锈钢导线丝，所述导线丝在所述边框内竖向依次等间距排列，且所有导线丝均与边框电气连接。

20、在一些实施方式中，所述法拉第杯的顶部开口与所述可震动筛网相对，所述风扇组围绕所述法拉第杯周向均布。

21、在一些实施方式中，所述蜂窝状稳流通道由若干圆柱状通道拼合而成。

22、基于上述沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，本发明还提供了一种沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量方法，包括以下步骤：

23、离子流场搭建与参数校准：将接地极板可靠接地，对高压极板与电晕丝板施加可控稳定直流电压，搭建极板间离子流场；开启场磨式电场仪与离子流板线，实时监测电场强度与离子流密度，待数据稳定后完成场体调试；

24、稳定上升气流系统调试：启动底部风扇组，气流经蜂窝状稳流通道整流稳压，消除紊流、涡流，形成均匀稳定的垂直上升气流，为沙尘匀速下落提供可控气流环境；

25、沙尘颗粒布设与稳定下落调控：选取实验目标粒径的沙尘颗粒，均匀铺放于上方可震动筛网，启动震动装置，使沙尘颗粒保持平稳匀速下坠状态；

26、颗粒荷电过程观测与计时：调节风扇电流精准控制上升气流速度，减缓沙尘下落速率，使沙粒缓慢穿过三层极板构成的离子流场；

27、颗粒荷电量数据采集：利用法拉第杯收集完成荷电的下落沙尘颗粒，通过配套连接的静电计，读取收集沙粒的总荷电量数据并记录；

28、平均荷电量计算：实验结束后，称量法拉第杯内沙尘总质量，结合沙粒粒径参数换算出颗粒总数量，最终计算得出单个沙尘颗粒的平均荷电量。

29、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

30、本发明中的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台及方法，通过平台下层区域设置的风扇产生上升气流，该上升气流经蜂窝状稳流装置整流后，在荷电区形成稳定、均匀的上升气流场；借助该稳定上升气流场，可大幅减缓大粒径沙尘颗粒在上层离子流荷电区的运动速度，确保沙粒获得充足的荷电时间以实现充分荷电，进而能够系统研究不同荷电时长条件下大粒径沙尘颗粒的荷电特性，填补现有技术在大粒径沙尘颗粒荷电测量领域的空白。

1.一种沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于：包括荷电模块和设置于所述荷电模块底部的上升气流生成模块及荷电量测量模块；

2.根据权利要求1所述的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于：所述荷电外壳与所述下外壳均为亚克力板制成的立方体外壳。

3.根据权利要求2所述的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于：所述荷电外壳与所述下外壳之间通过亚克力板制成的棱台形的连接外壳连接。

4.根据权利要求1所述的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于：所述荷电外壳的第一侧壁上设置有固定孔一、场磨孔一和走线孔一；

5.根据权利要求1所述的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于：所述荷电外壳的第二侧壁上设置有固定孔二和走线孔二；

6.根据权利要求1所述的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于：所述高压极板为与所述接地极板相同尺寸的带框导线网，所述高压极板的边框为导体不锈钢边框，所述高压极板的边框内的导线为不锈钢导线，所述不锈钢导线之间呈现网状设置，且所有导线均与边框电气连接。

7.根据权利要求6所述的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于：所述电晕丝板为与所述接地极板相同尺寸的带框导线丝，所述电晕丝板的边框为导体不锈钢边框，所述电晕丝板的边框内的导线丝为不锈钢导线丝，所述导线丝在所述边框内竖向依次等间距排列，且所有导线丝均与边框电气连接。

8.根据权利要求1所述的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于：所述法拉第杯的顶部开口与所述可震动筛网相对，所述风扇组围绕所述法拉第杯周向均布。

9.根据权利要求1所述的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于：所述蜂窝状稳流通道由若干圆柱状通道拼合而成。

10.一种沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量方法，应用权利要求1-9任一项所述的沙尘颗粒在离子流场中荷电特性的测量实验平台，其特征在于，包括以下步骤：