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。

大容量抽水蓄能发电机断路器发热特性仿真与散热优化方法

过高的温升会加速真空断路器结构老化、降低机械强度,基于温升仿真分析的断路器散热优化设计对断路器性能提升具有重要意义。为此通过建立大容量抽水蓄能发电机断路器电磁仿真模型,计算不同通流情况下的电磁损耗,并基于各端面接触电阻损耗,获得总发热损耗参数。在此基础上,建立包含对流、传导、辐射热传递模式的断路器自然对流仿真模型,从增强自然对流、辐射两方面对断路器散热结构进行优化设计。研究结果表明,在通流12.5 kA情况下,断路器监测点最高温升为133.7 K,辐射功率占比约23%。通过增加散热片及热管,最高温升能够降低至109.5 K。增大断路器部件表面发射率能够低成本实现辐射功率提升,从而将最高温升进一步降低至96.9 K。通过断路器稳态通流温升实验,验证了仿真可靠性,监测点温升的仿真与实验平均误差小于2.1 K。

可用于微型开关研发的液态金属桥拉伸断裂过程仿真研究

构建流体仿真模型可以有效地分析液桥拉伸断裂过程中的流体动力学特性,为基于液态金属桥拉伸断裂过程的电弧开断性能调控提供指导。已有的液桥仿真模型基于动网格或其他网格变形方法,无法仿真液桥的大范围拉伸形变和几何断裂。为此,该文提出了一种不依赖网格形变的液桥拉伸断裂有限元仿真方法。该方法对液体设置极大黏度值,以不可流动液体区域对固体进行近似,同时通过极大黏度值界线的移动配合计算域内液体的流出来等效液桥的拉伸,实现了对液桥拉伸断裂过程的仿真。基于该仿真模型探究了液桥体积、拉伸速度等对液桥拉伸断裂过程的影响,获得了全拉伸速度范围内液桥拉伸断裂特性的转变规律。最终,结合实验结果分析了液桥拉伸断裂特性转变对于电弧燃烧模式的影响,给出了全拉伸速度范围内电弧燃烧模式转变相图,为液桥式开关的电弧开断性能调控提供了依据。该文研究内容对微型继电器、接触器等基于液桥断裂原理的微型开关研发具有指导意义。

一级Marx压缩的高稳定纳秒脉冲电源的设计

针对目前缺乏标准纳秒高压脉冲电源的现状,开展高稳定性纳秒高压脉冲电源回路分析、结构设计及性能测试研究。通过建立纳秒脉冲发生器等效电路模型,仿真计算获得5级初级脉冲发生电路参数,以及一级压缩陡化间隙对纳秒脉冲特性的影响规律。通过纳秒高压脉冲电源结构设计及低抖动电晕稳定开关特性研究,建立高稳定输出的纳秒脉冲电源系统。研制纳秒电阻分压器,建立基于ns及μs量级传递校准测试相结合的刻度因数标定方法,准确获得纳秒电阻分压器的刻度因数。脉冲电源输出特性测试结果表明:纳秒脉冲电源系统可以输出上升时间2.3 ns±0.5 ns、幅值范围10~60 kV的指数纳秒脉冲;输出脉冲电压在全幅值范围内的相对标准偏差不大于±1.5%。

通信电源系统智能浪涌保护模块的设计与防护特性

通信电源系统面临着严酷的暂态过电压应力,传统过电压保护器难以兼顾雷电过电压保护水平与长期运行可靠性,其防护失效的问题严重影响通信基站运行的安全可靠性。文中提出了一种由限压型压敏电阻与短路型可控开关组成的智能可控浪涌保护模块的设计理念,通过对直流参考电压、可控比等参数的理论分析与自动能量耦合触发电路的实验研究,研制出了智能过电压防护模块样机,并进行了性能验证实验。浪涌保护模块直流参考电压为2.16 kV,在380 V额定工频电压下运行,其工作的荷电率很低,泄漏电流很小,在标幺值为2(基准值380V)的工频过电压下依然能保持长期的可靠稳定运行。在10 kA范围内(标准8/20雷电流),浪涌保护模块的冲击残压最大值为1.5 kV,冲击残压与直流参考电压之间的压比约为0.7,远小于常规限压型过电压保护器约1.5的压比。智能浪涌保护模块的过电压保护水平得到了显著的提升,为通信基站的稳定、安全运行提供了有力的保障。

自动增益控制的大动态范围纳秒级瞬态电场传感器

电磁瞬态脉冲的测量仍有许多技术难点。为了解决瞬态电场测量动态范围较窄的问题,研制了一种能自适应调整测量范围的光纤电场传感器。首先在CST软件平台上对单极子PCB天线进行建模,对其电磁特性和尺寸效应进行了仿真研究。然后重点设计了发射机的自动增益控制电路,且自动增益控制电路的阈值范围可调。用二次插值法对发射机的非线性进行数字化补偿,并优化设计了接收机的跨阻放大器,使其本底噪声在微伏级别。用标准场法对该传感器进行了标定和测试,并对不确定度进行定量计算。测试结果表明,传感器的输入动态范围达到54 dB,平均响应时间低于3 ns,线性相关度为0.98,灵敏度为0.025 V/(kV·m^(-1)),扩展不确定度为2.67。该传感器可以满足雷电脉冲的电磁环境测量和电力系统局放定位的需要。

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。

雷电流分量对碳纤维增强型复合材料层合板的雷击损伤效应

为了研究不同时序组合方式的多重连续雷电流分量作用下碳纤维增强型复合材料(carbon fibre reinforced plastics,CFRP)层合板的雷击损伤特性,通过雷击损伤区域形态观察,红外温度测试,C扫描探测等手段,对比了多重连续雷电流分量作用下CFRP的雷击损伤类型及损伤程度,研究影响CFRP雷击损伤深度和面积的因素,并探索多重连续雷电流分量在CFRP层合板上的散流特性与作用机理。研究发现:CFRP层合板的雷击损伤类型包括纤维断裂、烧蚀,树脂热解,铺层分离等。在论文实验条件下,当雷电流A、B、C及D分量连续作用时,损伤面积达2790 mm2,损伤深度约为1.28 mm。在多重连续雷电流脉冲作用过程中,雷电损伤深度主要与上升梯度高的雷电流A及D分量产生的局部热效应、冲击力效应及介质击穿有关;而CFRP层合板雷击损伤面积与表面温度的增加主要受到作用时间长、转移电荷量大的雷电流C分量的影响。对多重连续雷电流损伤效应的研究能够加深对雷击作用过程的理解,为CFRP雷电直接效应测试标准的完善、CFRP结构的优化和设计提供实验依据与理论基础。

碳纤维增强型复合材料在非破坏雷电流脉冲下的动态导电特性

为了研究碳纤维增强型复合材料(CFRP)层合板在雷电流脉冲作用下的动态导通机制,建立了CFRP动态导电特性实验平台,通过研究非破坏性10/30、20/60及40/120μs的雷电流脉冲作用下CFRP层合板的动态响应,分析了铺层结构、试样夹持方式及雷电流参数对CFRP动态导电特性的影响。研究结果表明:在100～1 000A的雷电流作用下,受到内部铺层结构的影响,CFRP层合板厚度方向电导率(10-3 S/mm)远小于平面方向电导率(100S/mm),具有各向异性非线性电导率;CFRP层合板表现出明显的电感效应,即动态电压超前于电流,动态伏安特性曲线中上升与下降阶段不重合;施加的雷电流上升速率越低、波长越长,CFRP层合板动态电导率越大;CFRP层合板在雷电流脉冲作用下所表现出的电感效应与碳纤维丝的电感特性密切相关。CFRP动态导电特性及导通模型的研究能够为CFRP雷电直接效应热电耦合模型的建立以及CFRP性能优化和结构提升提供理论支撑。

光纤复合架空地线雷电损伤模式及影响因素的实验及仿真研究

光纤复合架空地线(optical fiber overhead ground wires,OPGWs)雷电损伤的测试评估是确保电力系统安全运行的关键因素。建立了包含机械拉紧机构的雷击测试系统,研究OPGW在引发雷电流B分量与连续电流C分量组成的两重连续时序雷电流作用下的雷电损伤特性及其影响因素。基于OPGW雷击损伤形态观察及损伤产生机制分析,对OPGW雷击损伤模式开展定量研究。在此基础上探讨电极材料、转移电荷量及负荷拉力对OPGW雷电损伤的影响规律。实验研究发现,OPGW雷电损伤模式包括电弧扫掠损伤、熔融损伤及熔蚀损伤。钨铜电极的雷电能量注入最为集中,OPGW雷电损伤最严重;铜电极下损伤程度最轻。随着雷电转移电荷量及外施拉力的增加,OPGW断股数量与雷击损伤参数不断增加。建立的结合电弧磁流体动力学模型与OPGW有限元模型的OPGW雷电损伤仿真分析模型能够很好地模拟OPGW试样的雷电熔融损伤:以钢熔点1500℃作为熔融损伤的温度判据,仿真与实验结果间的偏差≤8%。

光纤复合架空地线雷电直接效应的实验研究

基于对现行的光纤复合架空地线(OPGW)雷击测试标准及研究现状的分析,提出了OPGW连续时序雷电直接效应的实验方法,并建立了雷电流B分量与连续电流C分量组成的多重连续时序雷电直接效应的实验平台,评估雷电流C分量的幅值和作用间隙对OPGW雷击损伤的影响规律,探索雷电流对OPGW的作用机理及散流特性。研究发现:随着C分量转移电荷量的增加,OPGW外层铝包钢股线熔断烧蚀程度不断加剧,雷击过后的温度不断升高。在转移电荷为200C时,雷击后瞬间OPGW表面的温度超过3 700℃,约30%的股线发生严重损伤。随着雷击实验作用间隙由5cm增加至6cm,OPGW试品雷击后的温升减小40%,损伤程度也有所减轻。研究内容能够为OPGW雷击实验方法的规范及防雷特性的评估提供基本实验支撑和理论依据。

非破坏雷电流A分量作用下碳纤维复合材料的动态特性

建立了碳纤维复合材料(CFRP)雷电冲击特性的实验平台,通过实验验证和对CFRP等效电路模型的分析,提出了采用两电极测试系统,通过检测流经CFRP层合板的脉冲电流和其两端的动态电压,研究了CFRP动态特性的测试方法,分析了在雷电流A分量作用下CFRP的动态特性。实验结果表明:在峰值时间为30.2μs、半峰值时间为72.2μs的非破坏雷电流A分量冲击作用下,碳纤维复合材料具有较强的导通能力,并且随着脉冲电流强度从5A增加至100A,其电阻由20Ω减小至2Ω左右,即具有显著的非线性;CFRP试品两端的电压先于电流达到峰值,材料整体显示出一定的电感效应。利用建立的CFRP层合板的等效电路模型,对CFRP在雷电流冲击下表现出的动态电阻非线性、电感特性、高导电微碳纳米管(MCNT)夹层对材料动态伏安特性的影响等现象进行了合理的解释。研究结果为CFRP的电气特性、树脂热降解、温度场分布以及热失重等研究提供了必要的理论支撑,同时为CFRP在航空航天领域的广泛应用奠定了坚实的基础。

雷电直接效应测试的雷电流C分量测试系统

针对目前碳纤维增强型复合材料（CFRP）雷电直接效应研究中存在的雷电多分量高精度时序控制及连续共同作用的相关测试及控制技术难题,采用大功率整流滤波回路设计了雷电流C分量发生回路,并研究了平波电抗器及负载对C波输出波形的上升时间、纹波系数等参数的影响。研究发现：随着平波电抗器的升高,雷电流C分量的上升时间增加,纹波系数降低。为保证雷电流C分量发生器的安全正常运行,设计并研究了由电感和非线性压敏元件组成的雷电流C分量的耦合/去耦网络（CDN）,探索了不同特性的脉冲电流波注入对C分量发生器工作特性的影响规律。实验结果表明：在选用170 m H的平波电抗器情况下,雷电流C分量发生回路的最大输出电压及电流分别为500 V及1 000 A。设计的耦合/去耦网络能够有效阻止雷电流A波、B波及D波对C波发生器中的分流和影响、破坏作用。研究发现,只有在脉冲电流波具备一定能量和持续时间前提下,才能有效引发雷电流C分量的后续注入。研究结果对航空航天器先进复合材料的研究、航天器结构件的设计提供了测试和评估手段。

8/20μs冲击电流发生器源阻抗对压敏电阻器性能表征的影响研究

文中研究了不同源阻抗8/20μs冲击电流对压敏电阻冲击能量的影响规律。建立了8/20μs冲击电流发生器电路模型,进行了电路仿真研究;搭建了8/20μs冲击电流实验平台,对不同规格的压敏电阻进行冲击电流实验。研究结果表明:随着8/20μs冲击电流源阻抗减小,相同冲击电流幅值下通过压敏电阻的冲击能量增加;随着压敏电阻直流参考电压增加,冲击电流源阻抗对压敏电阻冲击能量的影响作用增强,但随着冲击电流幅值的提高,冲击电流源阻抗对通过压敏电阻冲击能量的影响作用减弱。因此,在一定冲击电流幅值以下的8/20μs冲击电流试验中,冲击电流发生回路的源阻抗不能选择的太小。研究结果对压敏电阻冲击电流测试的规范化具有一定的理论与工程应用价值。

具有导电铺层的碳纤维复合材料直流体电阻测量方法

为了对航空航天领域中广泛使用的碳纤维增强型聚合物复合材料（CFRP）的静态电性能测试方法及直流体电阻进行研究,建立了CFRP直流电阻特性测量平台。研究发现传统三电极测试方法测得的材料体电阻率与CFRP的典型体电阻值存在明显差异,进而提出了改进型三电极测量方法,并开展CFRP直流体电阻特性实验研究。结果表明：CFRP体电阻率处于108Ω·m量级,导电性介于导体与绝缘体之间,且其体电阻特性与CFRP的铺层结构、表面涂敷材料、内部导电铺层等密切关联。建立的包含电场扩展和面电流综合效应的CFRP导电模型能够对实验结果进行很好的解释,研究结果为CFRP的电气特性、温度场分布、树脂热降解及热失重等研究提供了必要的理论支撑,同时为CFRP在航空航天领域的广泛应用奠定了坚实的基础。

主动型过电压保护间隙场击穿触发回路的暂态特性研究

针对主动型过电压保护间隙(SPG)研究中仅从触发回路的结构及材料角度难以分析其性能差异的机理,通过建立组合波注入下触发回路的等效模型,获得了触发回路输出电压的暂态解析式。基于触发回路的电压动作过程、触发电流与主间隙电流的数值关系、发生时序的理论分析及实验验证,得出了触发回路响应时间及保护间隙击穿电压的变化规律。研究发现:触发回路中耦合气体放电管动作滞后于压敏电阻,其动作时刻主间隙两端电压约为压敏电阻阈值电压U1mA与耦合气体放电管动作电压UGM之和;触发电流I1在时间上先于主间隙电流I2出现,但在数值上I1远小于I2;触发回路中耦合气体放电管及触发间隙的响应时间t1、t2随冲击电压峰值Um的增大而减小,与之对应的主动型SPG的响应时间t3及压比K远小于被动型SPG约2.224μs的响应时间及2.42的压比。该结果可为主动型过电压保护间隙触发特性的研究及优化提供理论与实验基础。

绝缘封装用环氧树脂固化物的湿热老化特性

环氧树脂容易受到湿热环境的侵蚀而发生绝缘性能劣化,进而直接影响电力系统运行的安全性与稳定性。为明确环氧树脂材料在湿热环境下的介电性能变化趋势,该研究对环氧树脂固化试样进行湿热老化实验,探究老化温度对其介电性能的影响规律,并对湿热老化机理进行分析。实验结果表明:环氧树脂试样在湿热老化后因吸湿出现质量增加,水分子对环氧树脂基体的塑化作用使其玻璃化转变温度降低。湿热老化后环氧树脂的体积电阻率下降,而相对介电常数和介质损耗因数增大,低频区尤为明显。用瓦格纳热击穿理论解释了环氧树脂试样击穿现象,相对介电常数和介质损耗因数增大都会导致环氧树脂的工频交流击穿强度下降。湿热老化温度升高加速了环氧树脂的吸湿进程,使其平衡状态的吸湿量增大,造成介电性能进一步下降。

过电压保护间隙主动场击穿触发回路的研究

为提高过电压保护间隙SPG的保护水平以及与后级过电压保护器件之间的能量配合,设计了基于场致触发的主动型过电压保护间隙,建立了过电压保护间隙的主动触发回路的电路模型,得到了回路元件参数的数学表达式,优选了触发回路的元件参数并进行了过电压保护间隙性能的实验验证。实验结果表明主动场击穿触发回路有效提高了过电压保护间隙的保护水平:当放电间隙间距d在0.55-2.1mm的范围内,主动型过电压保护间隙的冲击击穿电压Upulse与直流击穿电压UDC的压比K减小至被动型过电压保护间隙压比的50%左右;在放电间隙间距d=0.95mm的条件下,随着冲击电压峰值Um从3.6kV升高至6.5kV,Upulse由3.36kV上升至4.55kV,明显低于被动型保护间隙6.41kV的冲击击穿电压值。研究结果为主动型过电压保护间隙性能的提升、不同特性的过电压防护间隙的精确配合、过电压防护的机理及其应用技术的研究提供了理论与实验基础。

碳纤维复合材料雷电电磁环境的仿真研究

碳纤维复合材料在很多领域得到广泛应用,尤其是航空航天领域。为了研究雷电对于碳纤维材料的间接效应,以民用客机为应用背景,使用CST2017软件,选择TLM(传输线矩阵)时域求解器,对带有缝隙的立方体模型进行了仿真计算。得到了雷电流分量A波和H波作用下,航空铝合金材料和碳纤维复合材料模型的表面电流分布、内部电磁场分布以及内部三类电缆的电磁耦合规律。结果表明,碳纤维材料较之金属材料的屏蔽效能较小,线缆感应电流大小受雷电流参数影响显著,扭绞和屏蔽能有效减少电磁干扰。这些结果可以为飞机雷电间接效应防护提供参考。

冲击电流作用下碳纤维复合材料的导电特性

针对碳纤维复合材料(CFRP)在航空航天领域应用时的雷电损伤机理以及无损检测的问题,建立了CFRP非破坏性冲击动态伏安特性测试平台,对碳纤维复合材料的动态伏安特性的测量方法进行了研究。通过对流经CFRP上动态电流以及两端动态电压的测试,研究CFRP在非破坏脉冲电流作用下的动态伏安特性。研究发现:冲击电流的幅值、波形以及测量电极均会对CFRP的动态伏安特性产生比较明显的影响。随着冲击电流幅值的增加,CFRP的动态伏安特性曲线在电流上升阶段出现明显的向上偏移;在电流下降阶段,其所对应的动态伏安特性曲线会向下偏移直至趋于重合。当施加在CFRP上的冲击电流的持续时间变长时,明显看出CFRP的动态伏安特性上升阶段和下降阶段所包围的区域逐渐减小。当测量电极尺寸增加时,流过CFRP上的动态电流幅值增大了15%,其动态伏安特性曲线会逐渐向下移动,且随着冲击电流幅值增加,不同测量电极所对应的伏安特性曲线逐渐接近。研究结果为碳纤维复合材料在雷电直接作用时其导电行为以及损坏机理的研究提供了一定的实验基础与理论依据,为碳纤维复合材料的无损检测提供了新的实验思路。