川!!!環(1978年２月６日受理) Abnormal Drop of the Breakdown Voltage due to the Dust Layer in Positive Point-to-Plane Gap in Air T. HOSOKAWA* and Y. MIYOSHI** (Received February 6, 1978) The abnormal drop of the breakdown voltage due to the dust layer on the plane electrode of the positive point-to-plane gap in air was investigated. The breakdown process in the positive point-to-plane gap with a series miniature gap was also investigated. The mechanism of the breakdown process in the gap due to the dust layer was able to be explained by investigating current-voltage and breakdown characteristics. The result is as follows: when the paper layer was attached to the cathode surface, the formation of the glow corona was difficult and the corona consisted of many streamer pulses appeared, and the streamer seems to play an im¬ portant role for the transition to the spark, and then for the abnormal drop of the breakdown voltage. The breakdown characteristics in the gap due to the dust layer were similar to those of the positive point-to-plane gap with the series miniature gap, and its mechanism was ex¬ plained by the theory of the streamer breakdown. Namely, the positive ions produced near the tip of the needle electrode move towards the cathode, and the electrical field intensity of the dust layer increases owing to the positive ion accumulation, and the streamer produced by breakdown in the dust layer propagated to the cathode electrode, and at last, it was led to the spark as a complete breakdown in the gap. Hスか工場媒煙における媒煙処理の一方法として，不平等電板配置におけるコロナ放電を利用した電気準じん装置が用いられ効力を発揮している。電気準じんには，一般に負極性コロナ放電（以後負コロナと記す）が利用されているが，負コロナは正極性コロナ（以後正コロナと記す）に比べてコロナ放電の安定性は優れているが電流容量が小さく，かつコロナに伴ってオゾンの発生が多いなどの欠点がある。他方，正コロナの利用は，負コロナに比べて電流容量が大きく，かつオゾンの発生が少ないなどの利点はあるが，最大の障害は媒煙のように炭酸ガスなどの不純物を多量に含有した空気中では，バーストバルス放電域でストリーマコロナが発生しやすく，グローコロナの定在が困難となることであるいこのように，正コロナの電気楽じん装置への利用は，集じん効率の向上とオゾン障害の除去が期待されるが，その実現には媒歴中におけるグローコロナの定在の問題を解決しなければならない．この問題についてはすでに増田らおによって検討され，もし正コロナを龍山田気象じん装置に利用することができれば，その集じん効率を高めるとともに装置の小野化が期待されると報告されている.筆者らは，放電機構研究の立場から電気焦じん装置に正針コロナの利用が可能かどうかについてその基礎的資料を得る目的で，先の報告》と同様な方法で空気中正針対平板ギャップの平板偶にダスト層が警察した場合に生する火花竜圧の異常降下について検討した．その結果，平板側にダスト層が付着すると，グローコロナの定在が困難となってコロナはパルスを形成し，針先付近でストリーマが発生しやすくなって火花電圧が低下することが明らかになった。またこの破壊特性は，等価的には微小ギャップを直列に接続した針対平板ギャップ（以後MS Gと記す)，すなわち一種の補助電極付きトリガトロンギャップの破破機構で説明されることが明らかになっ本報告はこれらの結果をまとめたもので，空気中正針対平板ギャップにおいて平板側に多孔賀の前を付着させた場合に生する火花竜圧の低下と，これと類似な特性をもつMSGの破壊特性について述べる．さらにこれらの結果を比較しながら，ダスト層に起因した火花電圧のみ常降下の破壊機構について検討する・
2. 実験装置および実験方法
ダスト層を被振した実験装置は，前報”図１のようである．針先電極は先端が半球形の黄銅製円柱電極で，その先端半径を針先の曲率半径¥とした．平板電極は，半径6 cmの平担部をもつ円形平板の周囲を半球状に曲げた鉄製電框（ロゴウスキィ形電盤）を用いた．立お，本研究においても前線”同線， rは実用の寸法を考慮してとくにことわらない限り0.2cmとし，平板へ付着させた紙は多孔賀であればその種類には無関係なのでたんに紙と記す.次に，これと類似な破数特性をもつMSGの構造図を図１に示す.図１において，針対平板ギャップへ直列に接続した欲小ギャップは，直径が0.2cmで先端が半球形の黄銅製円柱電極2本を対向させたもので，そのギャップの長さを!!とした.なお、実験は大気圧室内空気中で行なった、
3. 安験結果
3.1ダスト層に起因した火花電圧の低下
空気中正針対平板ギャップにおいて，印加電圧を上昇させるとまずバーストパルス5-7) (以後BPと記す)が観測される。このバーストパルスは，後続を伴わない１次パルスと後続を伴った２次バルスに分けられるが，一般にその発光は微弱で肉眼で観察することはできない.また，供試ギャップのようなギャップ条件では， BPの出現から200～300Vの電圧上昇でストリーマコロナ(以後SPと記す)が観測される。 SPは，一般に波形の立上り、義衰が非常に遠く，その波高値は同じ測定条件でBPのほぼ10°倍にも達する緑状コロナで1-10°，かつ准展迷度，継続時間が異なった１次と２次ストリーマから成り立っている!!,!*).印加電圧を上昇させるとSPの発生類度は減少し，コ¤ナ平均電流I。が0.5～1 μA (ポャップ条件によって酒移する電流がいくふん與なる）に達するとグローコロナ（以後GCと記す）へ遷移する。  GC は、Hermstein glow coronaとも呼ばれ¹³'，外見上は直流特性の観を昼しているが実際にはバルスが港続した豚動特性でお, 149,電流商度は中心部が大で周辺部で減少している.図2は，正針対平板ギャップにおけるBPおよび火花開始電圧とギャップの長さの関係を平板側に紙を付着させた場合とさせない場合について比較したものである.平板側に紙を付落させると，付落させない場合に比べて、 BP 開始電圧 Vb' はいくぶん上昇する程度で特性に顕著な変化は認められないが， GCには顕著な変化が現われる。すなわち，紙を付着させると針先端にGCは定在せず，観測されたコロナの波形はすべてBPかそれに類似たパルスで，その発生は印加電圧の上昇とともに活発となり発光も肉眼で観察できる.コッナ平均電流 I。を増して数十μ Aに達すると，紙の表面上のところどころに点状の発光が観測されはじめる．この発光は，紙表面と平板電極間が絶縁破壊を起こしたことに起因した間欠的発光で，初めは弱く発光点も少ないが，I。を増すと発光の強さおよび発光点はともに増す、さらにI。を増すと，針先端から平板側へ向かって伸びるストリーマ状の光条が観測されるようになってギャップは全路破壊し，その火花電圧 Vg' は紙がない場合の火花電圧Vsのほぼ1/2倍程度まで低下した.なお，供試実験範囲内では，低下の割合はこの増大とともに増したが， Vg'はSPを経る破壊(I > 6 cm) ではIにほぼ比例し, I＜6cmでは不整を伴った．しかし,不整を伴う場合でも，その最低値は(>6 cmのV = 'の延長線上にのった。このように，放電ギャップの平板側にダストを模擬して紙を付着させるとギャップの火花電圧が著しく低下するが、この特性をさらに許しく調べた結果を図３，図４に示す.図３は， BPおよび火花開始電圧 Vъ′  Vъ′ と続の厚さt'の関係をl=5cmと8cmについて示している.正針対平板ギャップにおいては，Vь'には紙の厚さの影響が現われず，まが等しければ！に関係なくいずれもほぼ等しい値を示した、しかし，Ve'には形響が現われ,供試実験範囲内ではいずれのギャップにおいてもt' ＞ 0.02cmで顕著な低下を示したが，けの影響は顕著には現われたかった。図4は紙の厚さを一定に保ち( / =0.2cm),  BPおよび火花の開始電圧 Vs',  Vs' と針先端半径rの関係をはなパラメータとして装わしている。図においてもを増すと，V b ′はいくぶん飽和の傾向を示しながらほぼrに比例して上昇したが，Vs'は逆に減少の傾向を示した. 3.2針対平板ギャップの平板側に紙を付着させると火花電圧が著しく低下するが，これと等価的な破破特性をもつMSGの破壊特性について述べる.図５,６はMSGの破破特性を示したもので，比較のために平板側に紙を付着させた場合の特性も付記した.図5は， MSGのSPおよび火花開始電圧Vp'',Vg''と敵小ギャップの長さほとの関係で，比較のために紙を付着させた場合の破破電圧も実線(I=8cm)および点線(l=5cm)で示した、なお，颜を付着させた場合の微物は，紙の厚さI’である．また，MSGにおいては，BP観測さはれず、コロナははじめからSPであった、図より，コロナ開始電圧は，紙を付着させた場合(Vい)も紙の厚さにほとんど無関係にはば一定であるが， MSGでは徹小ギャップの長さに比例して上昇した．しかし, Va''では両者に顕著な差異が認められず，ほぼ等しい値を示した．これはあとでも述べるように，コロナの開始には微少ギャップの影響が現われ英なった特性を示すが、火花破壞は同じ破壊機構で説明されることを意味している.図6 ii MSGのSPおよび火花開始電圧Vp'', Vs''と針先端半径rの関係を示したもので, (a)ht 1=5cm, (b)は1=8 cm, (c) it 1=10 cmの場合をそれぞれ示している。なお比較のため，平板側に紙を付着させた場合の特性も付配した。 MSGのコッナ開始電圧は，いずれのギャップにおいてもいくぶん飽和の傾向を示しながら上昇したが，火花電圧はr≤0.2cmではrの増加に対していくふん滅少の傾向を示した程度ですによる顕著な変化は認められなかった・
3.3
針対平板ギャップにおいて，平板側に紙を付着させるか，あるいは微小ギャップを付加するとギャップの火花電圧が落しく低下するが，そのような場合，電流-電圧特性にどのような変化が生ずるかについて検討する.図７は同じ電極配置で，平板側に紙を付着させたり，あるいは微小ギャップを付加すると電流−電圧特性にどのような変化が現われるかについて示した一例で，(a)はl=5cm, (b)li l=8cmの場合についてそれぞれ示している。図から，ギャップに派を付着させるかあるいは敵327 (39)小ギャップを付加すると，針対平板ギャップに比べて一彼にコロナ開始電圧はいくぶん上昇し、かつ印加電圧Vが低いコロナのはじめではコロナ平均電流 I。は小である。 Vを上昇させるとI。も増すが，紙を付着させた場合にはその増加が最も顕著でその値がほぼ100 μAに達したのち火花へ遷移している．他方MSGでは，Ieがほﾄﾎﾟ 40 μAで針対平板ギャップの特性に近づき，その後火花へ選移している。なお，針対平板ギャップでは， BP放電域で拡子状のSP7-101が観測され，これが発生すると微小電流計の指針が変動して 『に不整が現われた・図中矢印はそれを示している．またMSGでは，電圧計の指示が変動して電圧の測定が困難であった・
3.4コロナの波形解析
針対平板ギャップの平板側に紙を付着させるか，あるいは敵小ギャップを付加すると火花龍圧は著しく低下するが，ここではそのような場合にコロナの故形にどのような変化が生ずるかについて検討する、図８〜１０はその一例で，1—５cmのギャップで観測されたコロナの波形の変化を示している．図８は針対平板ギャップにおける電流オシログラムで，一般にコロナはGCで張勘波形を形成しているか14). しかし，平板側に紙を付着させると図９のようにI。がμAを超過しても原動特性は定在しがたく，親源された被形は(a)～(c)のように直流分に重墨した波高値，発生頻度ともに不規則なlayer on the plane.パルス波形が主であった、しかし,このような場合でも, (d)に示すようにときたま脈動波形が観測されたが，その発生頻度は小さく,かつ継続時間も短く不安定であった.図10はMSG(t"=0.2cm)の場合で，このギャップでもコ¤ナの波形は図9と同様直流分に重量したバルスを形成しているが,この場合のペルスは比較的規則的であった.
4. #
旅
空気中針対平板ギャップにダスト層を横擬した肌を平板側に付着させるとギャップの火花電圧が著しく低下し、その低下特性は等価的には補助電極付きトリガトロンギャップツあるいはMSGの敬敬機情で説明できる.とこでは，その破壊機構のモデルとして構造が成も簡単でかつ破壊特性が類似しているMSGの破壊機構について考察し、さらにこれを拡にダスト層に起因したギャップの破壊電圧の低下の機構について検討する.
4.1  MSGの破壊
空気中針対平板ギャップで，ギャップに直列あるいは並列に数小ギャップを付加するとギャップの火花電圧が落しく低下することはすでに酒井ら15％によって詳しく調べられ，その破嫩機構は次のように考えられる． MSGに電圧を印加すると，主ずャップ（付加した数小ギャップと区別するために，ここでは以後放電ギャッブを主ギャップと呼ぶ）と微小ギャップの電圧は，印加電圧が低いとそれぞれの静電容量に反比例して分圧する。印加電圧を上昇すると両ギャップの電圧も上昇するが、両ギャップが破壊条件を満たすとまず微小ギャップが破壊する¹³’、敵小ギャップが破壊するとその分担電圧が低下し、同時に主ギャップの印加電圧が急上昇して針免税にコロナの発生を促す。この場合針先端では電界が急上昇するからそこではストリーマが発生しやすく16–18)，図5に示したように， MSGにおけるコロナははじめからSPであったのもこのためと解釈される。またこの場合，微小ギャップへのニネルギの供給は放電ギャップのコロナ電流で行なうが、コロナ電流では敵小ギャップの放電を長時間持続させることは困難で，放電は間欠的となる、かくして，主ギャップにおいてもGCの定在は困難で放電は問欠的なSPを形成し，針先端に発生したストリーでが全路破破まで進展して火花電圧が低下するものと考えられる.
4, 2ダスト層に起因したギャップの破壊
針対平板ギャップの平板側にダストを模擬して紙を付着させたギャップの放電モデルは図11のようで，その破彼特性は等価的には紙の代わりに微小ギャップでおき換えたものに等しい．以下，紙に起因した火花電圧の低下特性とMSGの破壊特性を対比させたがら，ダスト層に[8] 11　ダスト層に起因した正針対平板ギャップの散散機物の政政Fig. 11 Scheme for the explanation of the break- down mechanism due to the dust layer in
起因した火花電圧の低下の機械について考察する.
針対平板ギャップにおいて，紙を平板に付着させると紙は一額の平行平板ギャップを形成する。この場合，紙を付落させてもギャップの静電界は著しく乱されないから，図2に示したように，コロナ開始電圧には紙の影響がほとんど現われたい。印加電圧を上昇させて針電極Ａの先端にコロナが発生すると，それに起因して発生した正イオン⊕は陰極Ｂに向かって移動し紙表面Ｃに付着して紙内部の電界を強める。紙内部の電界が強まり破壊の条件を満たすと紙が破暖する(D 1 , D 2 , D 2 ,…)が,この場合エネルギの供給はコ¤ナ電流であるから，紙内部での放電を長時間持続させることはできず放電は開欠的となる．他方，紙内部での放電が関欠的となると， MSGの場合と同様針先端にはGCは定在せずコロナは間次的となってSP(SP)が発生しやすくなる．かくして，針先端で発生したストリーマはギャップの敬後の条件を満たすと矢印(spark)で示したように全路破壊まで進展して火花電圧が低下するものと考えられる、なお，図９と図10では，同じコロナ電流でありたがら観測されたバルスの出現頻度に差異が認められるが、これは紙内と微小ギャップでの微小放電数の相達に起因している。このように，ダスト層に起因した火花電圧の低下は,ダスト層の微小放電が針先端にSPが定在することを困離にし、逆にストリーマの発生を促進させることに起因しているから、この破壊は逆電離現象によるものとは考えられない.しかし,その原因が陰極平板側のダスト層であることには変わりない．したがって，実際問題として，正コロナを電気集じん装置に利用するには，針先にGCを定在させることが何よりも重要な課題と考えられる.
5. 結
in
参巻文 献
工業大学学生飯田健氏（現豊田車体勤務）に感謝する。空気中正針対平板ギャップにおいて，平板側に付着したダストに起因した火花電圧の低下特性について述べた、さらに，これと等価な破破特性をもつMSGの破壊特性を述べ，両者を比較したがら集じんダスト層に起因した火花電圧の低下の機構について検討した、得られた結果を要約すると次のようである. (1)  針対平板ギャップで平板側に多孔賀の紙を付着させると，コロナ開始電圧にはあまり影響が現われなかったが火花電圧には顕著な効果が現われる。 (2)  MSGの破壊特性は，平板側に紙を付着させたときに起きる破壊特性と類似している. (3) 針対平板ギャップで平板側に紙を付着させると針先端にGCの定在が困難となり，領測されたコロナ波形は直流分に重量したパルス被形を形成する、 (4)  針対平板ギャップにおいて，平板側に付着したダスト网に起因した火花電圧の低下の機構は，等価的にはMSGの敬複機構で説明される。その原因は，ダスト層の微小放電が針先端にGCが定在することを困難にし,逆にストリーマの発生を促進させることに起因していな終りに，本研究遂行にあたり種々有盆な計論と助言を細川原三，岩間紀男，三好保憲：電気学会論文誌 A,95 I) (1975), 269. 2) 増田関一,新岡正樹:電気学会論文誌 B, 95 (1975), 423. 3) 細川反三,三好保惑：静電気学会誌, 2, 2(1978), 133. 4)増田関一，鎌川辰三，三好保憲：昭和50年電気学会全国大会議演論文集, 912 (1975). 5) W.H. Bandel: Phys. Rev., 84 (1951), 92. 6) M.R. Amin: J. Appl. Phys., 25 (1954), 210. (7)細川反三,三好保恵:電気学会論文誌 A, 93 (1973), 420. 8)本多侃士：現化学研究所編報, 8 (1929), 467. 9)本多阮士：理化学研究所彙報, 10 (1931), 5. 10) M.R. Amin: J. Appl. Phys., 25 (1954), 358. 11) G.G. Hudson and L.B. Loeb: Phys. Rev., 123 (1961), 29. 12)生田編皓， 牛田富之， 石黒美鍾： 富気学会雑誌， 90 (1970), 1816. 13) W. Hermstein: Arch. Elektrotech, 45 (1960), 209. 14)顔川辰三，石原準一郎，西阪公一，三好保嵩：電気学会論文誌A, 96 (1976), 9. 15)酒井토式，三好保恵：電気学会雑誌，78 (1958), 223, 16) J.M. Meek: Phys. Rev., 57 (1940), 722. 17) L,B, Loeb and J.M. Meek: J. Appl. Phys., 11 (1940), 438. 18) L.B. Loeb and J.M. Meek: J. Appl. Phys., 11 (1940), 459,いただいた東京大学増田関一教授に厚くお礼申し上げる。また,卒業研究として熱心に研究に従事された名古屋