LEO航天器太阳电池阵激光诱导电弧放电试验与分析

基于太阳电池阵空间电弧放电理论,对纳秒脉冲激光诱导太阳电池阵电弧放电机理进行分析,采用空间放电模拟试验系统,试验研究了低地球轨道(LEO)等离子体环境下纳秒脉冲激光诱导太阳电池阵电弧放电的功率密度阈值及其放电特性。试验结果表明:LEO等离子体环境下激光诱导太阳电池阵电弧放电的功率密度阈值约为1.08×10^(8)W/cm^(2),与无激光诱导相比,放电持续时间增加了20%,且每施加1次纳秒脉冲激光诱导电弧放电概率约为60%。对比分析不同工况下的太阳电池阵损伤效应可得:纳秒脉冲激光诱导电弧放电破坏绝缘层最严重,容易造成太阳电池阵中部分PN结短路失效,其损坏程度远远大于空间环境太阳电池串间电弧放电烧蚀损坏效应和盖玻片表面热应力损伤造成的PN结断路失效。此结论可为航天器太阳电池阵放电试验的措施及试验参数选取提供参考。

基于函数型数据分析算法的电阻性本质安全电路电弧放电模型

区别于电感性和电容性本质安全电路,电阻性本质安全电路的电弧放电波形因具有三种类型一直无法被准确描述,且电阻性电路本质安全判据的不完善描述会导致实际运行条件下爆炸事故的多发性。对此,该文首先考虑电阻性本质安全电路的放电过程及波形特征,基于函数型数据分析回归算法,建立了高维、参数强相关、适用范围广的电阻性电路电弧放电数学模型,并基于模型建立了相应的本质安全能量判据;然后采用该模型模拟电阻性电路放电过程并提出了一种电弧放电波形分类方法,发现在特定电路参数条件下,当电路正常工作电流I≤0.15 A或I≥0.6 A时,电弧放电基本呈现典型放电形式;最后搭建火花放电试验平台,验证了所建电弧模型的可行性与预测效果的准确性。

基于同位素示踪法的微量O_(2)对电弧放电下SF_(6)分解产物影响的研究

SF_(6)气体绝缘开关设备电弧放电下O_(2)对SF_(6)分解产物具有显著影响,但其影响规律及相关作用机制目前尚不清楚。针对这一问题,文中利用^(18)O_(2)作为示踪剂开展了电弧放电实验,利用GC⁃MS分析了放电过程中和放电后含^(18)O同位素物质的变化规律,明确了电弧放电下SF_(6)分解产物的形成途径及^(18)O_(2)对SF_(6)分解产物的影响,阐明了其深层化学反应机理。结果表明,电弧放电下O_(2)杂质会在不同程度上促进SOF_(2)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)、CO_(2)的生成,其中O_(2)主要以分解后的O原子参与SOF_(2)、SO_(2)、CO_(2)的生成反应,以O_(2)分子和分解后的O原子共同参与SO_(2)F_(2)的生成反应。SOF_(2)和SO_(2)F_(2)的生成主要由放电过程中发生的复合反应主导,SO_(2)的生成主要由放电后发生的分子间反应主导,CO_(2)的生成则来自两者的共同作用。

基于氧同位素示踪技术的H_(2)O对SF_(6)电弧放电分解产物的影响研究

SF_(6)分解产物与SF_(6)开关设备故障放电类型和严重程度存在内在联系,可通过分解产物分析实现对开关设备的故障诊断。H_(2)O对SF_(6)电弧放电分解产物具有显著影响,但其影响规律及相关作用机制目前尚不清楚,严重制约了分解产物分析法的工程应用。为解决这一问题,文中搭建了SF_(6)开关设备电弧放电分解产物实验研究平台,利用H_(2)^(18)O作为示踪剂开展了电弧放电实验,利用气相色谱质谱联用仪分析了放电过程中和放电后含^(18)O同位素物质的变化规律,明确了电弧放电下SF_(6)分解产物的形成途径及H_(2)O对SF_(6)分解产物的影响,阐明了其深层化学反应机理。研究发现,H_(2)O会直接参与SOF_(2)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)和CO_(2)的生成反应,化学反应机理的不同导致各物质的形成与演化规律具有显著差异。其中,SOF_(2)和SO_(2)F_(2)的生成主要由放电过程中发生的分解反应和复合反应主导,SO_(2)的生成主要由放电后发生的分子间反应主导,CO_(2)的生成则来自两者的共同作用。

特高压变压器内部电弧放电时的应力应变分析及安全校核

内部短路等引起的电弧放电是特高压变压器最为严重的故障之一,容易造成油箱变形破裂甚至起火爆炸。为了分析电弧放电引起的变压器应力应变水平,建立了1000kV单相特高压变压器有限元模型,仿真分析了特高压变压器内部不同部位、不同能量的电弧放电引起的油箱压力分布,计算了油箱和螺栓的应力应变水平,结合材料参数对油箱和螺栓的力学性能进行安全校核,并给出了箱壁破裂或螺栓损伤的放电能量阈值。结果表明:油箱内高压绕组附近电弧放电时最大应力出现在箱壁拐角处,最大形变出现在长轴侧箱壁中间部位;升高座内电弧放电时最大应力出现在升高座支架处,最大形变出现在升高座拐弯处。

基于温度场的C/SiC复合材料短电弧放电加工等效热源研究

针对C/SiC复合材料放电加工仿真普遍采用高斯热源,忽略间隙弧柱热效应的问题,文章以放电过程的热效应进行两部分等效。采用椭球体热源等效电弧弧柱,高斯面热源等效工件表面热效应,从平行和垂直于碳纤维两个方向进行温度场仿真,对比传统高斯热源与等效热源,并通过实验进行验证。结果表明:运用新型等效热源仿真,得到的凹坑尺寸比传统高斯热源更加接近实验加工的尺寸,预测精确度提高20%。

电弧放电对G-R阻尼装置参数设计的影响

阻尼电阻值设计是G-R阻尼装置抑制投切电容器过电压的关键,为获得最佳抑制效果,需对影响阻尼电阻值的因素开展研究,其中,真空断路器投切电容器过程中产生的电弧放电是重要影响因素。为此,建立电弧放电条件下阻尼装置投入运行时的等效电路,并讨论电弧放电对投切电容器过电压的影响。以Mayr电弧模型作为单次放电模型,建立电弧重燃模型,分析单相、两相及三相多次重燃条件下的投切电容器过电压的特征。在此基础上,分析电弧放电对最佳阻尼电阻值设计的影响。研究结果表明:电弧放电并不能改变过电压先随阻尼电阻的增大而减小、后随阻尼电阻的增大而增大的变化规律;在电弧重燃条件下最佳阻尼电阻值比未考虑电弧放电时减小了大约5Ω,从G-R装置设计角度来看电阻减小可在一定程度上减少G-R装置的体积和成本,减小量约为10%。

关于判断变压器电弧放电及电弧放电兼过热故障的三比值编码问题

对目前应用 DGA 技术判断变压器内部电弧放电及电弧放电兼过热故障的三比值编 码存在的问题进行了研究探讨，通过诊断实例提出了看法。

二次电弧放电法调控单壁碳纳米管的直径分布

首先以Y-Ni合金为催化剂,利用电弧法制备了单壁碳纳米管粗品。然后以该粗品为碳源,在不另外添加催化剂的情况下,利用二次电弧放电法制备了单壁碳纳米管。对二次电弧放电制备的单壁碳纳米管进行了紫外-近红外吸收光谱、拉曼光谱和热重分析的表征,结果表明,二次电弧放电所制备的单壁碳纳米管的管径比首次电弧放电制备的直径略小,约为1.36 nm,且较为均一。

交直流复合电压下变压器油中电弧放电及产气特性

换流变压器是直流输电工程重要设备之一,其阀侧绕组承受的电压较为复杂,包括直流、交流、交直流叠加以及极性反转等多种电压形式。因此在构建交直流复合电压系统的基础上,采用典型针板电极模型,对变压器油在交流、直流和交直流复合电压条件下的电弧放电和产气特性进行研究。试验表明变压器油在交直流复合电场和直流电场下的绝缘性能较交流电压下差。交直流复合电压下油隙的击穿电压与其纹波因数有关,纹波因数越小击穿电压越低。引入小桥理论的极化过程很好地解释了这一物理现象。同时,不同类型的电压作用下放电产生的油中溶解气体体积分数(每种气体与总气体的体积比)一致,说明判断交流变压器的改良三比值法故障类型判断方法对交直流叠加电压和直流电压下的电弧放电故障仍然适用。但是由于直流和含有直流分量的电压更容易产生油中放电,换流变压器的油中溶解气体体积分数(换算后每升油中所溶解气体的体积)的注意值和气体增长率注意值应有别于传统交流变压器。

高速动车组车速对弓网离线电弧放电的影响

高速动车组列车运行时的车体振动使得受电弓和接触线之间产生电弧放电,从而产生电磁骚扰,研究由弓网离线电弧放电形成电磁骚扰的特征,为评估电磁骚扰对动车组安全的影响提供依据.本文针对动车组极高的运行速度与高速接触网系统振动方程导出弓网的离线概率、弓网接触力和接触线动态抬升量与速度的关系;建立了弓网电弧放电模型,对弓网电弧离线放电的电磁骚扰进行仿真;最后,分析了不同车速条件下,弓网离线电弧放电电磁骚扰发生的频率、大小的变化趋势.

基于ANSYS的空气电弧放电等离子体温度数值模拟

吸入一氧化氮(NO)疗法因其具有疗效快、非创伤性及高选择性等优点,在临床救治新生儿急性肺损伤和持续肺动脉高压等相关疾病方面逐步得到广泛应用。电弧放电是产生NO的一种新方法。因此,研究控制空气电弧放电合成NO的等离子体参数,对实现电弧放电合成医用NO在临床上的应用具有重要意义。本文根据磁流体动力学理论,建立了脉冲电弧放电等离子体轴对称数学模型,运用ANSYS软件,对电弧放电等离子体温度场分布和电流密度进行了数值模拟。结果表明,当电流增大时,阳极附近温度增大,阳极电流密度增大;当弧长增加时,阳极附近温度增大,阳极表面电流密度增大,阴极电流密度略变小。温度的升高,有利于NO的合成及抑制NO2的生成。

水下电弧放电法制备洋葱状富勒烯

探索了纯石墨电极在水中放电制备洋葱状富勒烯(Onion-like fu llerenes,OLFs)的过程和工艺。用高分辨透射电镜(H igh reso lution transm ission electron m icroscope,HRTEM)对生成的OLFs进行了形貌、结构的观察与表征。分析结果表明制得的OLFs具有各种不同形状的内核,石墨化程度很高,直径分布在5nm^40nm范围内。在一定范围内随着电流强度的增大OLFs的产量和产率都有不同程度的提高。

基于Laval喷管的滑动电弧放电等离子体发生器及其工作特性分析

为了研究产生于Laval喷管中的一种新型滑动电弧放电的物理特性,研究了不同流量工作气体(空气)条件下产生的等离子体电弧的伏安特性,并利用高速摄影仪对此种新型等离子体的滑动电弧发展过程进行了跟踪,记录了滑动电弧等离子体击穿—延长—电弧最大—熄灭的循环过程。结果表明:随着工作气体流量的增加,电极电压波形出现突变的频率越来越高;电流波形随着气体流量的增加除了击穿时突变点增多外大致形状不变,近似于正弦波形,且最大值都为0.4A;半周期内的平均电压在629～1 347V范围内变化。分析得出,流量变化对这种滑动电弧放电的伏安特性,特别是电压特性存在剧烈影响,这一点也可以从高速摄影所得图像中看出。

电弧放电法制备煤基炭纳米纤维及开口竹节状碳纳米管

以中国白杨树无烟煤为原料,添加一定量煤焦油和沥青黏结剂制成炭棒作为阳极,采用直流电弧法制备竹节状碳纳米管及炭纳米纤维。用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能量散射谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等技术对产物进行表征。结果表明:在较低氦气压力下(0.020M Pa),采用不添加任何催化剂的无烟煤基炭棒进行电弧放电,在剩余阳极上制备得到竹节状碳纳米管和炭纳米纤维。所得竹节状碳纳米管多为开口状,直径在50nm左右;炭纳米纤维宏观上成绒毛球形,纤维的直径在30nm^50nm之间。

电弧放电中纳米洋葱状富勒烯生成机理的研究

探索了用传统的电弧放电法、在现有的电弧放电装置中 ,通过改进放电工艺、添加催化剂制备纳米洋葱状富勒烯 (NanoOnion likeFullerenesNOLFs)的过程和工艺。用高分辨透射电镜 (HighResolutionTransmissionElectronMicroscopeHRTEM)对生成的NOLFs进行了形貌、结构的观察与表征。分析结果表明NOLFs晶化程度很高 ,直径均匀 (2 0～ 5 0nm)。生成的NOLFs可分为两大类 :(1)内包金属纳米微粒的NOLFs;(2 )单体NOLFs。对NOLFs的生成机理及催化剂对其直径、收率的影响进行了讨论。据此建立的汽 -液 -固 (Vapor Liquid Solid :VLS)生长模型可以解释实验中出现的一些现象。研究表明生成NOLFs的数量、直径分别与催化剂的活性及其尺寸有关。

脉冲电弧放电产生医用一氧化氮的放电条件研究

NO作为救治急性呼吸衰竭综合征的新方法而受到关注。空气中的电弧放电可以产生NO。为满足NO医疗应用对NO2和NO2/(NOx)尽可能小的要求,实验采用负脉冲电弧放电,重点研究了电极间距、放电频率和电极极性等参数对NO和NO2浓度的影响。结果发现:NO2/(NOx)的比值在某电极间距范围内有一个最低值,NO和NO2浓度随电极间距和放电频率的提高而增加,电极极性对NO2/NOx比值的影响不明显。可以通过对放电条件的选择与组合,达到降低NO2浓度和NO2/(NOx)比值的目的。

低能电弧放电时间与电路参数间的关系

推导出电感性本质安全电路低能电弧放电时间的计算公式。其中由放电电流线性衰减模型得出放电时间和电路电感与初始电流的乘积成正比而与电源电压无关的结论 ;但由动态伏安特性模型得出放电时间是所有电路参数的函数的结论。对四种模型情况进行了全面比较和误差分析。

高速电弧放电加工的工艺特性研究

基于流体动力断弧的高速电弧放电加工(Blasting erosion Arc machining,BEAM)是一种利用高速流场控制电弧放电,高效蚀除工件材料的特种加工新技术。该技术从原理到实现都与传统的电火花放电加工(EDM)有着本质区别。将高能量密度的电弧、具有三维型面的多孔电极、极间的高速工作液流场以及多轴联动进给这四种关键要素的有效结合,实现了一种新型而高效的材料去除加工方法。采用石墨集束电极对典型的难切削材料——镍基高温合金GH4169进行了高速电弧放电加工。试验结果表明,在放电峰值电流为500 A时,最大材料去除率可达14 000 mm3/min,而最小电极相对损耗比不超过1%,且加工后工件的表面硬度低于基体硬度,再铸层和热影响层厚度均小于100μm,有利于切削等后续半精加工工艺的开展。由此可见,高速电弧放电加工的工艺特性使其非常适合于难切削材料的大余量去除加工。使用多孔成形电极分别对不同形状的型腔样件进行了层铣和沉入式高速电弧放电加工,证明了其高效加工三维特征零部件的能力。

基于电流线性衰减模型分析低能电弧放电特性

基于放电电流线性衰减模型 ,分析了本质安全电路的低能电弧放电特性 .指出放电时间不会小于电路的时间常数 ;电弧电流变化率与电路电感成反比 ;放电瞬间的电弧电阻为最小建弧电压与稳定电流的乘积 ;如果电源电压小于最小建弧电压 ,电弧功率将随时间而减小 ;电感储能与电源供给能量的比值与电源电压成反比 .