高海拔环境下大容量直流空气断路器灭弧性能研究

高原轨道交通和电工产业转型对起关键保护作用的大容量直流空气断路器(LC-DCCB)提出了更高要求,但现有产品在高海拔地区的开断仍存在一定问题。该文以轨道交通用LC-DCCB为研究对象,首先基于磁流体动力学(MHD)理论,考虑湍流效应的影响,对其在高海拔环境下开断18 kA短路电流进行仿真;然后对电弧形态及灭弧室内温度场、电磁场、气流场进行分析,得出高海拔地区空气电弧开断困难的主要原因;最后根据仿真与理论分析,考虑采用合理数量和布局的间插式U型栅片改善电弧开断特性。结果表明:随着海拔的升高,电弧前期运动速度加快,但断路器的灭弧性能降低;在高海拔环境下电弧存在严重的弧根粘滞和弧根拖尾现象,弧根拖尾畸变空间电场,不利于熄弧;同时,在不同海拔环境下,电弧会产生不同程度的反向运动现象,易导致弧后重燃。该研究深入揭示了高海拔环境下LC-DCCB电弧演变过程及复杂开断现象背后的物理本质,可为该类产品研发提供理论指导。

冲击电弧作用下C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体灭弧性能仿真分析

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体是目前最有潜力替代SF 6的气体之一。为了探讨C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的灭弧能力,文中根据电弧能量平衡理论,建立电弧能量平衡方程组,获取管道内部超压随时间的变化规律。同时,基于磁流体动力学模型,使用COMSOL Multiphysics软件建立压爆气流防雷间隙灭弧结构的二维磁流体模型,在雷电流幅值为4 kA的条件下,对管道内不同比例C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在冲击电弧作用下的熄弧特性进行仿真分析。基于上述方法,结合电弧能量平衡理论,分析模型中电导率、速度以及压强的变化规律。与理论结果对比分析得出:同一工况条件下,20%C_(4)F_(7)N/80%CO_(2)的灭弧性能较优,其次为10%C_(4)F_(7)N/90%CO_(2)与5%C_(4)F_(7)N/95%CO_(2),并且熄弧时间符合气吹灭弧的要求。

半密闭腔室内冲击闪络电弧观测及弧后气体逸散过程研究

多腔室灭弧装置可保护绝缘子、抑制故障电弧存续,具有成为配电网线路防护增补措施的潜力。半密闭腔室作为多腔室灭弧装置的基本单元,腔室内冲击闪络电弧演变进程尚缺乏完备的观测手段和针对不同电极结构的直观对比,以及弧后气体状态的量化分析。为进一步完善半密闭腔室内电弧演变过程观测方法,优化结构设计,该文搭建了用于观测半密闭腔室电弧及弧后气体演变的高速纹影系统,对比分析了开放气隙与半密闭腔室气隙、U型电极和球形电极下半密闭腔室内冲击闪络电弧演变过程,根据纹影图像数据定义密度恢复率,并采用光流法探讨了弧后气体逸散过程中气体密度恢复和速度场分布。电弧演变过程的纹影图像表明,半密闭腔室较开放气隙具有主动“吹弧”作用,由于自感应磁场的分布差异,U型电极较球形电极加速腔室内电弧运动;弧后气体演变为近似涡环结构,促使腔室出口邻近区域气体密度率先恢复,空气自恢复能力得到提升。

电源类型对短电弧-电化学复合加工放电凹坑影响研究

放电凹坑大小影响着加工表面形貌的一致性,放电凹坑的凸起高度及凹坑表面的重铸层对加工表面质量有重要影响。文章基于短电弧-电化学复合加工方法,在直流与脉冲两种常用电源类型下对钛合金TC4进行单次放电实验,分析两种电源类型下的短电弧-电化学复合加工单次放电凹坑尺寸及影响规律;结合单次放电凹坑实验所采集到的波形与电弧放电过程仿真模型对电弧放电过程的等离子体放电通道变化进行研究。研究结果发现,直流与脉冲放电凹坑的尺寸与影响规律差异与电弧的断弧方式有关,不同的断弧方式对等离子体放电通道产生影响,直流电弧倾向于通过流体介质运动和极间距离改变进行断弧,而脉冲电弧通过脉冲后沿电压变化和极间距离改变进行熄弧。这两种断弧方式不仅影响了凹坑的尺寸形貌,也影响了断弧后的电化学腐蚀效果。

基于磁流体动力学的无极性低压直流断路器电弧仿真及性能优化

针对传统低压直流断路器,电流反向时磁场单向会导致其灭弧能力减弱的问题,建立基于COMSOL无极性低压直流断路器电弧仿真模型。分析在电流反向下无极性低压直流断路器的电弧运动,研究磁场和电流对无极性低压直流断路器灭弧能力的影响。仿真结果表明,无极性低压直流断路器可以消除电流反向对电弧运动的阻碍作用,并在240 mT和16 A下灭弧能力最强。仿真结果和实验结果相吻合,无极性低压直流断路器的灭弧能力在恰当的磁场灭弧能力最强,电流越小灭弧能力最强,变化规律与试验结果一致。

非标准圆弧的连续圆形摆弧路径规划

本文基于空间矢量法提出用简单的连续空间圆弧逼近算法,实现空间非标准圆弧的圆形摆弧路径规划。该方法引入圆弧倾角参数用于调整摆动坐标系y轴偏移向量姿态改变焊接面;提出摆动模型x轴坐标向量姿态规划策略使摆弧路径切合焊缝轮廓。仿真和实验结果表明:对插入/追加新的示教点能实现路径自适应规划,并确保摆动插补点均在焊接面上;当圆弧倾角设为0°和45°时,得到截然不同的焊接面;采用所提出的方法能够通过多点示教实现对空间非标准圆弧的摆弧路径规划。

高速列车过绝缘节轮轨间拉弧机理分析及抑制

随着高速铁路运营密度、运行速度和牵引功率的不断提升,车辆移动回流系统与轨道固定回流系统耦合复杂造成过绝缘节时绝缘节间拉弧频发,电弧侵蚀绝缘节,导致轨道电路串接、串码等故障,严重威胁行车安全。围绕高速列车过钢轨绝缘节时车轨间回流耦合引起的绝缘节间拉弧问题开展研究,解析轮对接近、跨接、驶离绝缘节时回流途径拓扑结构及阻抗的动态变化过程,基于牵引系统的实采阻抗参数构建“车-轨”移动接地系统三维等效电路模型,解析列车各轮对滚动过绝缘节各接地轮轴回流路径及大小的动态变化规律。基于系统实际结构参数构建“转向架-钢轨”3D多物理场耦合模型,揭示回流耦合作用下的轮轨燃弧动态演化规律,探明接地电流、钢轨端压等因素对绝缘节间拉弧的影响机制。同时提出一种新型绝缘节间拉弧抑制装置,仿真分析抑制效果。

中频真空电弧边缘击穿现象及仿真研究

为深入掌握航空变频(360~800 Hz)电力系统中真空电器电弧特性,该文围绕中频灭弧室弧后发生的边缘击穿现象,以双温磁流体动力学仿真结合实验的研究方法,得到了以下结论:中频真空电弧离子数密度的最大值为2.6×10^(19)m^(-3),离子温度的范围为0.30~0.91eV,电子温度的范围为1.50~2.43 eV;电子与离子之间存在能量交换,电子温度的变化会引起离子温度的变化;最高离子温度出现在阳极触头边缘处,与实验发现的边缘击穿位置重合,证明了此处确实存在能量集中;中频真空电弧是超声速流体,速度在边界处减慢,根据动能热能互换原理,中频真空电弧的质量流运动规律是边缘击穿的本质原因。

双弧与对偶弧技术在胸中下段食管癌VMAT计划中的剂量学研究

目的:对比双弧(two arc,TA)和对偶弧(dual arc,DA)技术在胸中下段食管癌容积旋转调强放射治疗(volumetric modulated arc therapy,VMAT)中对计划靶区(planning target volume,PTV)与危及器官(organs at risk,OAR)剂量分布的影响。方法:回顾性选取2020年7月至2022年6月于某院接受放射治疗的10例胸中下段食管癌患者,使用RayStation 4.7.5.4计划系统的RayArc模块为每例患者分别制订TA和DA放射治疗计划,并对比2种计划的PTV D_(2)、D_(5)、D_(50)、D_(95)、D_(98)、均匀性指数(homogeneity index,HI)、适形性指数(conformity index,CI)、出束时间、总机器跳数,以及OAR肺V_(5)、V_(10)、V_(20)、V_(30)、Dmean,心脏V_(30)、V_(40)、Dmean和脊髓Dmax等剂量学参数。采用SPSS 22.0软件进行统计学分析。结果:2种计划PTV的CI、HI、D_(2)、D_(5)、D_(50)、D_(95)及出束时间比较,差异无统计学意义(P>0.05),而DA计划的D98及总机器跳数均高于TA计划,差异有统计学意义(P<0.05)。在OAR保护方面,DA计划的心脏V_(30)、V_(40)、D_(mean)较TA计划略有下降,但差异无统计学意义(P>0.05);肺V_(5)、V_(30)、D_(mean)及脊髓D_(max)较TA计划显著降低,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:DA技术相比于TA技术在PTV剂量分布和OAR受量方面更具优势,选择DA技术制订食管癌VMAT计划,对患者治疗效果的提升有一定意义。

风电场集电线路单相接地故障柔性电压消弧与动态保护新原理

为解决风电场集电系统长期存在的线路单相接地故障处理难题,提出风电场中性点柔性接地方式,理论推导获得柔性接地风电场三序等效电路,与集电线路单相接地故障复合序网模型,建立风电场零序电压柔性调控理论,提出集电线路单相接地故障柔性电压消弧方法,可主动将故障点电压及故障残流迅速抑制到零,实现单相接地故障电弧的可靠消除。进一步提出基于零序电流动态增量的高阻故障辨识与保护方法,通过柔性调控零序补偿电流,逐渐放大故障残流,实现永久性单相接地故障的灵敏感知与保护。利用PSCAD/EMTDC搭建含双馈异步风电机(doubly-fedinduction generator,DFIG)的规模化风电场模型,模拟多种运行与故障条件对所提方法进行验证,仿真结果表明,该方法能够在考虑系统不平衡电压的情况下精准调控集电线路故障点电压,实现瞬时性单相接地故障快速可靠消弧,动态感知并持续抑制永久性单相接地故障残流,实现集电线路高阻接地故障的灵敏保护。该技术有望提升风电场运行灵活性与故障防御能力,有力保障新能源电能外送的持续性、可靠性。

基于点-弧、弧-路模型的集装箱循环班列车流组织研究

立足“公转铁”和“散改集”货源,基于集装箱运输需求的变化性和区域的不均衡性,为了实现集装箱和车辆的均衡发展、改善集装箱运输组织模式,从而充分利用铁路运输能力、提升铁路货运服务质量,围绕一种新型集装箱班列组织模式—固定车底循环班列,探讨其开行条件、班列走行径路等问题。以空车总走行距离最小为目标建立集装箱固定车底循环班列车流组织的点-弧模型,以求解循环班列的弧段选用和弧段上分配的箱流量;考虑循环班列的走行径路特点,以空车总运输成本最小为目标建立弧-路模型,以求解循环班列的走行路径和弧段上分配的箱流量。基于20英尺35 t通用箱的市场使用情况,以35 t通用箱的运单数据作为实证研究,设计搜索循环班列可行路径的算法,利用Gurobi求解器求解2种模型,分析求解结果得到了车流组织方案。对比分析2类模型在计算效率和求解结果等方面的区别,验证了模型的有效性。案例结果表明:点-弧模型求解速度快但无法直观得到走行径路和分配结果,弧-路模型对大规模网络的求解效率较低但能直接得到走行径路和分配结果,集装箱循环班列的车流组织方案可根据运输需求的空间分布和运输组织的复杂性进行调整,以提升运输效率。本研究成果能够为丰富铁路货运产品、设计循环班列组织方案提供理论方法。

基于零序特征参量差异的谐振接地系统熄弧时刻判别方法

在谐振接地系统中,熄弧时刻的准确判别对于接地故障的选线、消弧效果评估以及熄弧后暂态信息提取和利用具有指导意义。该文针对谐振接地系统单相接地故障,分析了故障点工频电流熄弧前后的故障电气特征,并利用母线零序电压和消弧线圈电流,通过求取其信号的一阶导数及其平方信号的二阶导数,构造两种特征参量。研究发现该特征参量在熄弧前为常数,熄弧后发生明显变化,据此可形成相应的熄弧时刻判别的基本判据。考虑到系统实际运行中各种因素的影响,在此基础上形成熄弧时刻判别的附加判据,从而最终提出基于零序特征参量差异的谐振接地系统熄弧时刻判别方法。通过Mat Lab/Simulink仿真和现场实测,验证了该熄弧时刻判别方法的有效性和准确性。

阴极电流密度对6061铝合金在含Na_(2)WO_(4)电解液中微弧氧化膜结构和耐磨性能的影响

目的 研究恒流模式下阴极电流密度对6061铝合金在含Na2WO4的电解液中制备的微弧氧化膜厚度、形貌、相组成及耐磨性能的影响。方法 固定阳极电流密度为5.0 A/dm^(2),阴极电流密度分别为0、1.25、2.5、3.75、5.0 A/dm2,对6061铝合金进行微弧氧化40 min。用涡流测厚仪测量了氧化膜的厚度,用扫描电镜观察了微弧氧化膜的表面形貌和截面形貌,用能谱分析仪分析了氧化膜的表面成分,用X射线衍射分析仪分析了微弧氧化膜的相组成,用往复式摩擦磨损试验机测试了氧化膜的耐磨性能。结果 随着阴极电流密度的增加,氧化膜内的W含量逐渐减少,氧化膜颜色逐渐变浅,氧化膜厚度逐渐增加。微弧氧化膜的主要组成相为α-Al2O3和γ-Al2O3。当阴极电流密度从0 A/dm2增加到3.75 A/dm2时,氧化膜内孔洞的数量和尺寸逐渐减少,孔洞到氧化膜/基体界面的距离逐渐增加,氧化膜的耐磨性能逐渐提升。当阴极电流密度为3.75 A/dm2时,氧化膜的磨损率最低,仅为1.07×10-4mm3/(N·m)。但阴极电流密度增加到5.0 A/dm2时,氧化膜表层出现孔洞和剥落,耐磨性能下降。结论 阴极电流的加入有助于增加6061铝合金微弧氧化膜的厚度,提高氧化膜的致密性和耐磨性能,但过高的阴极电流会导致氧化膜表层出现孔洞,降低耐磨性能。

大电流空气电弧栅片烧蚀数值模拟与分析

电网输配电容量不断增加对低压断路器的开断性能提出了更高的要求。低压断路器开断大电流时,电弧烧蚀灭弧栅片产生的金属蒸汽会极大的影响断路器开断性能,阻碍断路器发展并且不利于电网安全运行。因此,建立了开断电流为10 kA的栅片烧蚀模型,研究了栅片烧蚀特性。模型考虑了栅片阴极端和阳极端不同的电弧能量注入,栅片材料的熔化、蒸发以及栅片表面形貌变化,并将弧根运动引入模型中。利用此模型计算了铁栅片烧蚀质量以及温度和熔化材料分布。仿真结果表明:栅片阴极端温升大小和范围均小于栅片阳极端的值。栅片表面熔化区域尺寸和位置随着弧根的移动而改变。栅片阳极端熔沸点来临时刻分别是2.19 ms和2.89 ms,烧蚀质量为1.84 mg。而栅片阴极端熔点来临时刻为4.12 ms,温度始终低于栅片材料沸点,烧蚀质量近乎为0。该文得到了单次开断下栅片两端烧蚀形貌,为研究多次开断下栅片烧蚀引起的栅片间短弧长度和移动路径变化对断路器开断性能的影响献力。

低压直流断路器拓扑参数对燃弧时长影响研究

基于LC振荡换流的机械式直流断路器能够抑制开断电弧,可靠切除故障线路,保障系统安全运行。为分析机械式直流断路器拓扑参数对其开断的影响,基于人工过零点抑弧原理,在MATLAB/Simulink中搭建直流断路器仿真模型,分析不同模型下电弧抑制效果。在此基础上,针对断路器不同换流方式下的拓扑参数进行电弧抑制仿真,讨论可控参数与不可控参数对燃弧时长的影响。仿真结果表明,在强制振荡与自激振荡换流方式下可控参数对燃弧时长的影响不同,电弧时间常数、电弧散热功率等不可控参数对燃弧时长影响相同。该研究成果可为直流断路器抑弧拓扑设计提供有效参考。

玉树北部二叠纪镁铁质岩的成因及其对大陆弧后盆地形成的指示

系统地调查与研究弧后盆地岩浆作用能为探究汇聚板块边缘的壳幔相互作用、板块俯冲动力学和弧后盆地形成-演化机制等提供重要信息。本文以最近在青海玉树北部地区发现的二叠纪镁铁质岩类为研究对象,开展了岩相学、锆石U-Pb年代学、岩石地球化学与同位素地质学等研究,以期为深入认识大陆弧后盆地形成机制及有关镁铁质岩浆的起源提供关键线索。锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学测定结果表明,玉树北部辉长岩的结晶年龄为260±1 Ma。玄武岩样品具有相对低的TiO2和Nb/Y值以及相对高的Ce/Nb值,其相对于原始地幔要显著富集轻稀土和Th等元素,亏损Nb、Ta、Ti和P等元素,可与世界上典型弧后盆地玄武岩(例如Okinawa Trough BABBs)成分特征类比。而辉长岩样品具有相对高的TiO2和Nb/Y值以及相对低的Ce/Nb值,其相对于原始地幔要显著富集轻稀土和Th等元素,轻微亏损Nb、Ta和Ti,总体上具有与OIB类似的成分特征。玄武岩样品具有变化较大的ISr(0.706~0.709)和εNd(t)值(-1.8~+1.3),而辉长岩样品则具有相对均一的ISr(0.709)和εNd(t)值(-1.8~-1.5)。综合本次研究成果可以确定,玄武岩应该起源于一个受俯冲组分改造的岩石圈地幔,而辉长岩应该来自于一个与地幔柱相关的源区。结合区域最新研究资料可以进一步判断研究区镁铁质岩应该形成于大陆弧后盆地扩张的背景中,并且该弧后盆地的产生很可能与洋壳深俯冲导致的板块回撤、峨眉山地幔柱活动密切相关。

膜层厚度对6061铝合金黑色微弧氧化陶瓷膜层结构与性能的影响

为了明确膜层厚度对铝合金黑色微弧氧化陶瓷膜层的黑度、耐蚀性和硬度的影响规律,促进其实际应用,在硅酸盐-钒酸盐复合溶液体系中对6061铝合金进行微弧氧化处理,通过控制微弧氧化时间获得具有不同膜层厚度的铝合金黑色陶瓷膜层。利用测厚仪、粗糙度测量仪、SEM和EDS对黑色陶瓷膜层的表面结构、膜层成分和粗糙度等进行表征,并借助色差仪、维氏硬度计和电化学工作站等研究了膜层厚度对陶瓷膜层的黑度、显微硬度和耐蚀性的影响。结果表明:膜层厚度对黑色陶瓷膜层的表面形貌、粗糙度、显色特性、硬度和耐蚀性有较大影响。随着微弧氧化时间延长,膜层厚度增加,膜层表面更为粗糙,表层放电微孔数量减少,放电微孔孔径增大;当膜厚达到30.786μm时,陶瓷膜层的放电微孔显著增大,孔径达到10μm。随着膜层厚度增加,陶瓷膜层的黑度增加,显微硬度提高,但耐蚀性先增强后降低。当膜层厚度为20.781μm时,陶瓷膜层的黑度和硬度较高,耐蚀性最好,其在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电流密度为1.093×10^(-6) A/cm^(2)。

焊接方法对铝合金焊接接头微弧氧化色差的影响

目的分析铝合金焊接接头微弧氧化过程中色差产生的原因。方法采用单激光和激光-MIG复合焊2种焊接方法焊接2A12铝合金,利用RGB值定性描述不同焊接试样的色差差异大小,采用金相、SEM和微区XRD观察2A12铝合金单激光和激光-MIG复合焊接头微弧氧化前后的组织、微观形貌和表面物相组成。结果经微弧氧化处理后,2A12铝合单激光焊焊件的焊缝和母材之间无明显色差,2A12铝合金激光-MIG复合焊焊件的焊缝和母材之间存在明显色差,结合金相组织、表面和截面的SEM形貌以及表面EDS和XRD测试分析结果可知,成分和表面熔融物颗粒的大小不同是铝合金焊接接头微弧氧化色差形成的主要原因,焊接接头的组织对铝合金焊接接头微弧氧化色差的产生没有影响。结论单激光焊接接头微弧氧化后的氧化色差较激光-MIG复合焊接头的小;铝合金(2A12)焊接接头产生氧化色差主要是因为焊接接头的成分和表面熔融物颗粒大小不同,而组织对色差无影响。

直流开断中触头边缘弧根停滞现象及影响因素研究

弧根演化过程对直流空气断路器的开关效率有显著影响。基于空气电弧磁流体动力学(MHD)模型,对触头边缘弧根停滞的根本原因进行仿真分析,得出外磁场大小和开断速度对触头边缘弧根停滞的影响。结果表明,弧根从触头转移至跑弧道是通过击穿完成的,触头边缘弧根停滞是弧根转移前跑弧道未达到击穿条件导致的。触头边缘弧根停滞时间随磁感应强度的增大而减少,并减少速度变慢,最后趋于稳定;燃弧初期,一定范围内提高触头开断速度有利于减少弧根停滞时间,但受洛伦兹力和气流场的双重影响,过高的开断速度对减少电弧停滞时间的效果减弱。

P-GMAW起弧过程特征分析及稳定性判别方法

脉冲熔化极气体保护焊(pulsed gas metal arc welding,P-GMAW)起弧过程易产生不稳定现象,会严重影响电弧传感焊缝跟踪精度.针对这一问题,对摆动电弧窄间隙P-GMAW不稳定起弧过程的成因进行了研究,发现送丝速度对起弧过程稳定性具有重要影响.通过对电弧图像与电信号特征进行对比分析,提取了表征电弧稳定性的电信号特征变量;为减小变量冗余性和过拟合,采用最大似然估计法筛选并提取了8个变量,并通过主成分分析法(principal component analysis,PCA)对变量进行融合,提取了方差贡献率最高的前两个主成分;根据因子载荷发现,相比熔滴过渡阶段和基值阶段,脉冲峰值阶段是电弧更易发生不稳定现象的阶段.结合提取的主成分变量与二分类Logistic回归模型建立了起弧过程电弧稳定性判别模型.通过受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线得到了模型的最佳阈值.结果表明,该模型对脉冲稳定性判别准确率达到了80%以上,表明模型具有良好的判别性能.该模型对提高窄间隙高低跟踪精度、保证焊接质量具有一定应用价值.