断路器碳陶瓷合闸电阻能量耐受及失效特性

合闸电阻在大能量注入下的热电耐受及性能稳定是超/特高压交流系统断路器安全稳定运行的关键因素。为此通过开展合闸电阻模拟能量注入实验,并建立碳陶瓷复合材料微观结构热电耦合仿真模型,研究碳陶瓷电阻在不同强度能量注入下的材料温升、动态导电、性能劣化及结构破坏行为,分析碳陶瓷合闸电阻的能量耐受及失效机理。研究发现,碳陶瓷电阻具有随温度变化的动态导电特性,导通电阻及恢复电阻随能量注入强度的增加而减小;在大能量注入下,碳陶瓷电阻劣化及损伤模式包含恢复电阻下降、侧面绝缘击穿及电阻体碎裂。根据大能量注入下电阻内部多物理场分布仿真结果,结合碳陶瓷复合材料微观结构观察及电接触导电机制分析,揭示来源于碳陶瓷电阻内部电流密度、温度及热应力不均匀分布的性能劣化及结构破坏电热正反馈物理机制。

不同源阻抗8/20μs冲击电流下的MOV动态性能仿真

为研究不同源阻抗的8/20μs冲击电流下,金属氧化物压敏电阻(metal oxygen varistor,MOV)冲击残压存在很大差异的课题,建立了MOV的仿真模型,在相同预期短路条件下对10、20、30kA3个通流量级的冲击残压进行了研究,并结合Haefely persurge30.2和ICGS两种源阻抗相差较大设备的实测数据分析,得出:①冲击电流越小,试品动态阻抗越大,适合用其最小冲击电流来测试非线性试品,以工程计算设备的带负载能力;②不同预期短路电流下,不同源阻抗冲击电流回路测试不同试品时,通流容量越小的试品表现出来的电压敏感性越大,大通流的试品在大电流冲击下受源阻抗的影响较小,因此宜选用小通流容量的MOV来对比不同发生器的性能。

脉冲电流磁场对鼠骨髓瘤细胞的影响

通过实验研究了脉冲电流磁场对鼠骨髓瘤细胞的影响 ,证实了脉冲电流磁场具有很强的生物效应 ,对生物体具有穿透能力 .实验表明 ,强的脉冲电流磁场 (最大磁场强度和磁场强度变化率以及脉冲持续时间 )对细胞生长有明显的抑制作用 ,甚至导致细胞大片死亡 .通过简单的细胞模型 ,对其作用机理进行了初步的探讨 .

碳纤维复合材料在雷电流作用下的损伤仿真与试验

广泛应用于飞机制造业的碳纤维复合材料(CFRP)导电性较差,其遭受雷击时很难迅速将雷电流泄放出去,雷电流在材料内产生的电阻热会对材料产生严重的热烧蚀损伤,因此通过仿真和试验手段对碳纤维复合材料雷击损伤机理进行了研究。通过建立航空用碳纤维复合材料雷击损伤的3维有限元模型,采用温度场分布来表征材料的损伤面积和损伤深度,并通过有限元软件ABAQUS对型号为IM600/133的碳纤维复合材料开展了雷击损伤数值模拟研究。仿真结果表明:雷击过程中,复合材料表面的温度和沿雷击位置法向的损伤深度在雷击初始阶段迅速增加;当雷电流幅值达到最大后,温升和损伤深度增加速率逐渐变缓,复合材料表层的温升变化规律和所施加的雷电流变化规律基本一致。铺层结构表面的雷电流主要沿着复合材料板表层电导率最大的方向传导,雷电流在材料中产生的热流也主要沿着表层传导,使得复合材料板的电热损伤主要分布在表层;编织结构的雷击损伤区域近似呈圆形分布,圆心为雷电流附着点。通过对比仿真和试验,两者有较好的一致性,证实了所建有限元模型的合理性。

脉冲电弧对钨铜电极表面侵蚀形态的研究

基于热传导观点,选择了具有高熔点的金属钨和具有良好热传导性能的金属铜作为强脉冲电流放电开关,试验验证了在总转移电荷量一定的情况下,开关电极的侵蚀量和电极表面的侵蚀形态与单次电荷的转移量直接相关;从力学和热学观点出发,结合钨铜材料的制作工艺,分析了脉冲电弧和电极之间的作用机理,认为在脉冲电弧作用下,钨铜电极表面裂纹与材料中的孔隙有关。

浪涌保护器带电试验用组合波发生器的设计

研究了浪涌保护器 (SPD)或电子设备电磁兼容(EMC)试验用组合波发生器 (CWG) ,按IEC和GB要求设计了不同波形参数的CWG。先计算不同虚拟阻抗Z(2、8、12、4 2Ω等 )的回路参数并仿真电路 ;再采用同轴管式分流器和无感分压器测量输出电流和电压波形 ,测量和仿真波形的对比证明理论计算正确 。

气体放电管直流击穿电压测量技术的研究

为了寻找一个能有效表征气体放电管(GDT)从高阻状态转变为低阻状态的判据,在分析和实验对比现有技术的基础上,提出了利用电磁感应原理设计判据提取的方法.该方法设计了一个耦合线圈,将初级线圈串入主回路采集GDT击穿瞬间产生的微电流脉冲,将该脉冲整形后作为判据信号.对GDT击穿瞬间的电路状态进行了建模分析,首次从电路角度分析了GDT击穿瞬间出现的脉冲电流的形成原因,并指出不同的脉冲电流是由电流中脉冲分量和线性分量相互作用的结果.实验结果表明:在宽电压范围(50～5 000V)测量系统中,稳态击穿电流小于5mA,且在上升速率为100V/s直流电压作用下,从GDT击穿到系统响应最小时间为2.06μs,最大为3.34μs,平均为2.81μs.

冲击电流测试系统中测量误差的试验研究

从影响冲击电流系统测量精度的因素出发,试验研究了系统接地点、转换装置的连接方式及系统自身的电磁干扰等对测量精度的影响。试验证明:采用单点接地、悬浮测量、减小高压引线与转换装置构成的闭合回路包围面积及电磁屏蔽、电源隔离、浪涌吸收等抗干扰措施可提高系统运行的可靠性及冲击信号测量的精度。

压敏电阻对冲击电流回路输出特性影响的仿真

为研究压敏电阻的非线性特性及其性能评估,建立了非线性压敏电阻冲击电流特性的仿真模型,并研究了压敏电阻对不同特征阻抗8/20μs冲击电流回路输出电流波形参数的影响规律。研究结果表明:①压敏电阻的动态电阻r对冲击电流波参数有较大影响,随着r的降低,冲击电流波前时间tf增加,逐渐趋于8μs,冲击电流波半峰值时间tt减小,逐渐趋于20μs,tt与tf之比tt/tf减小,逐渐趋于2.5;②冲击电流回路的特征阻抗Z越小,r对回路输出电流波形参数的影响越大,对压敏电压为471V的压敏电阻负载,当Z为0.35Ω且电流幅值从4A到10kA变化时,tf的变化幅度为4.75μs,tt的变化幅度为19.537μs,tt/tf的变化幅度为9.75;而当Z为1Ω时,tf的变化幅度为2.8μs,tt的变化幅度为3.54μs,tt/tf变化幅度为2.093;③得出了压敏电阻动态电阻和输出满足IEC和国家试验标准要求的8/20μs冲击电流要求的最小电流幅值的关系规律,由此得出在实际应用中,对于电流幅值范围较宽的压敏电阻冲击电流回路,为了提高冲击电流回路输出的效率,应采用分段设计冲击电流回路。

高压脉冲电流放电环境中电场和磁场分量的研究

建立简单的物理模型 ,通过时变电磁场的 Maxwell方程组 ,计算了高电压脉冲电流放电环境中的电、磁场分量 ,初步得出脉冲电流发生器结构可改变环境中电磁分量的分布以及安全工作区域的大小。为高压脉冲电流装置的设计及放电环境中安全操作距离的制定提供一定的理论依据和指导。

空心阴极浪涌保护间隙放电特性的实验研究

为提高低压配电系统一级过电压防护间隙安全可靠性,设计了基于空心阴极效应的浪涌保护间隙（HC-SPG）;测量了在氮气条件下HCSPG的放电电压与工作气压的关系曲线;确定了电压保护水平≤4 kV的HCSPG的工作气压范围。研究表明：在氮气环境中对于间隙距离D和孔径φ均为3 mm时,HCSPG可工作在50-5×10^4Pa的气压范围。随着D的增大,HCSPG的电压保护水平略有下降;在D、φ均为3 mm和气压p=600 Pa的氮气环境中,HCSPG的直流电压（上升梯度〈1 kV/s）保护水平784 V,脉冲电压保护水平2.4 kV,对直流电压和1.2/50μs脉冲电压的响应时间ts分别为25.33和25.4 ns;通流容量经过10/350μs试验,单次电荷转移量Q达到48.26 C,比能量W/R达到2.14 MJ/Ω。研究结果证明了HCSPG应用于低压配电系统一级雷电防护的可行性。

非线性被试品冲击电流发生回路的研究

在线性RLC冲击电流发生回路研究的基础上,提出了非线性被试品冲击电流发生回路的设计原则:当线性调波电阻取值为非线性被试品动态电阻范围的(0．25-0．5)倍时,冲击电流发生电路输出的冲击电流参数满足IEC和国标的要求。实践证明:按照上述原则设计的回路可用于对避雷器阀片、压敏电阻及浪涌保护器SPD进行冲击电流检测。

沿面闪络真空开关触发特性的实验研究

触发真空开关(triggered vacuumswitch,TVS)是脉冲功率技术的核心器件,为满足对TVS放电时延及其分散性、工作电压范围、通流容量等的要求,设计了高介电系数的电介质材料制作的沿面闪络真空开关,研究了触发脉冲、主间隙两端的电压对TVS放电时延及其分散性的影响规律。实验研究表明:采用高介电常数电介质材料制作的沿面闪络真空开关,在自击穿电压为120 kV的条件下,TVS的最小工作电压为1.3 kV,工作电压范围为1.08%～99%;最大的放电时延<400 ns,最小的放电时延为130 ns,最小的时延分散性为±10 ns;TVS的通过的电流峰值>150 kA。该TVS不仅满足一般放电开关的性能要求,用于高电压、大电流脉冲功率技术中,而且可以用于对放电开关有特殊要求的Crowbar回路中。

脉冲电流电磁场对生物膜的非热效应分析

通过简单的生物体细胞模型,研究脉冲电磁场对生物体所产生的生物效应的机制问题。证明了高电压脉冲电流放电环境中,低强度的脉冲电磁场可引起膜内外离子的输运过程,而当脉冲电磁场足够强时,则引起细胞膜的击穿。因此高电压脉冲电流放电环境中脉冲电流电磁场分量以及电磁防护的研究是非常有必要的。

低气压放电开关沿面闪络触发器的性能研究

脉冲功率技术和脉冲电流试验技术对放电开关提出了越来越高的要求,如较长的使用寿命、宽的工作范围、较小的触发时延及抖动等。为了满足这些需求,设计了伪火花开关的氧化锌半导体和高介钛酸钡陶瓷介质沿面闪络的触发装置,通过对表面放电触发器的实验发现:高介钛酸钡陶瓷沿面闪络触发器显示出强而快的电荷释放能力,在伪火花开关工作的气压范围内,触发器能够在20～30ns内释放20～30μC的电荷量,释放的电子数达到1.25×1014～1.875×1014,触发电流的上升陡度可达120～320GA/s。上述两种介质材料制作的PSS,气压7Pa时,自击穿电压28kV,最小工作电压分别为360、130V,放电延时分别为380～106ns和80～35ns,时延抖动分别为85～23ns和22～6ns。研究结果表明:高介钛酸钡陶瓷沿面闪络触发器显示出比氧化锌半导体强而快的电荷释放能力,由其制作的伪火花开关具有极低的放电时延和时延抖动。

耦合方式对浪涌保护器组合波输出波形特性影响的研究

笔者建立了压敏电阻的仿真模型以及组合波耦合网络的MATLAB仿真电路,研究了电容耦合和压敏电阻耦合方式对组合波短路电流波形参数的影响规律。耦合电容的加入使组合波短路电流的波前时间和半峰值时间减小,回路虚拟阻抗增加,且随着耦合网络的耦合电容容量的增加,短路电流波的波前时间和半峰值时间增加,虚拟阻抗减小;压敏电阻耦合对组合波短路电流的影响规律和电容耦合相同,对于同一规格压敏电阻,随着电容上充电电压的增加,短路电流波的波前时间和半峰值时间增加,虚拟阻抗减小。在电容上充电电压相同情况下,随着压敏电阻通过直流1 mA时的电压U1mA的增加短路电流波的波前时间和半峰值时间显著减小,而虚拟阻抗则显著增加。

强电磁场环境中电磁防护的探讨

将生物细胞在强脉冲电流形成的电磁场环境中进行实验,观察了脉冲电磁场对细胞的影响,探讨了细胞生物效应和实验条件的相关关系。实验证明:强脉冲电流磁场对细胞有一定的抑制和杀伤作用。采用适当的电磁屏蔽措施,可以减少脉冲电磁场对细胞的影响,此研究工作的开展将为高电压电磁防护机理研究提供实验和理论依据。

防雷器浪涌试验中去耦网络的研究

用电路基本理论研究了防雷器浪涌发生器带电试验中的去耦网络DCN。选用较大电感和电容组成的DCN可显著降低浪涌信号对供电电源的影响。不同参数DCN电路的仿真证明了DCN设计理论的正确性。

特殊组合波发生器的研究

对特殊参数的组合波发生器进行研究。首先讨论了波形参数、电路参数、电源利用率等之间的关系并得出有实用参考价值的曲线,根据此曲线,可以方便地确定特殊参数组合波在不同虚拟阻抗下的电路参数;其次,针对有代表性的电路(如10/1000电压波、10/1000电流波以及10/700电压波、10/300电流波等),选取一定虚拟阻抗下的电路参数,并进行仿真,验证了理论计算的正确性。

高效率10/350μs冲击电流回路的设计

从线性RLC冲击电流回路出发,研究了冲击电流波形参数和回路阻尼系数间的关系,计算证明:10/350μs、100kA冲击电流发生回路所需的能量为MJ级。利用回路中储能元件间能量转换提出的高效10/350μs冲击电流发生回路可用于I(B)级防雷间隙的冲击电流试验。