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。

雷电流A分量与C分量对碳纤维复合材料损伤特性差异

碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料应用广泛,但与金属及合金相比电导率较低,遭遇雷击时易发生损毁。该文通过雷击损伤形貌观察、C扫描探伤、压缩强度测试及电-热耦合仿真等方式,对比了雷电流A分量和C分量单独作用下CFRP层合板的散流特性及损伤特性。研究发现,在A分量作用下CFRP层合板表面铺层产生长约120mm、宽约30mm,与铺层方向一致呈45°的纤维炸裂带;在C分量作用下CFRP层合板产生直径约60mm的圆形烧蚀坑。与未损伤件相比,A分量作用后层合板弹性模量基本不变,C分量作用后层合板弹性模量减小,两种电流分量作用后层合板最大压缩强度均略微增大。电-热耦合计算结果表明,A分量作用过程中CFRP层合板损伤分布具有明显的方向性,各层损伤方向与铺层方向一致;C分量作用过程中CFRP层合板各层损伤分布一致,但与铺层方向无关。CFRP在两种分量作用下计算损伤分布与试验损伤形貌结果基本吻合。该文揭示了具有显著特征的两种分量雷电流对CFRP层合板的损伤机理,为CFRP层合板的雷电防护提供依据。

光伏组件雷电冲击损伤特性实验研究

采用高电压及大电流冲击模拟实验,对光伏组件雷击损伤特性进行了分析,获取了雷击对光伏组件的损伤形貌、雷电路径、损伤阈值、电学特性变化等关键损伤特征。研究结果表明:在自然界雷电情况下,多数为光伏边框或支架接闪,20 kA的雷电流即可引起边框烧蚀;雷击会影响组件的功能和寿命,随着雷电冲击电压的增大,最大输出功率逐渐减小,冲击电压为300 kV时,最大输出功率变化率达到10.02%。基于雷击损伤实验模拟结果,可以为光伏系统的雷击防护提供数据支撑和参考依据。

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。

油气管道在雷电流C分量下的损伤特征分析

雷电流C分量是造成雷击管道烧蚀穿孔的主要原因,通过实验分析了油气管道在雷电流C分量下的损伤特征。雷电流C分量对无涂层金属管道样品表面的烧蚀损伤明显,以电弧为中心损伤区呈圆形分布,靠近弧根的损伤芯部在高倍显微镜下呈现大量裂纹,芯部外围的损伤区内存在蜂窝状气孔的熔滴凝固物;雷电流C分量对附着防腐涂层的管道样品表面损伤主要集中在对防腐涂层的烧蚀,靠近烧蚀中心的防腐涂层出现碳化、分解现象,损伤严重,对涂层下金属部分的损伤较轻。雷电流C分量下,金属管道和防腐涂层管道的截面损伤明显,熔凝区、热影响区以及钢材基体区之间均存在明显的分界。

雷电流A分量冲击长输管道影响研究

为更好地了解雷击管道的危害,应用中国石化开发的多分量实际雷电流模拟试验系统对管道进行雷电流A分量冲击试验。从仿真模拟和冲击试验两个方面考虑高幅值雷电流A分量直击于长输管道的极端情况,利用CDEGS软件进行建模仿真,并在实验室内应用多分量实际雷电流模拟试验系统对管材进行A分量冲击试验。仿真结果显示40 kA的雷电流A分量在管道直击点附近产生的冲击电压已超过管道冲击电压耐受峰值109 kV,冲击试验结果显示40 kA的雷电流A分量足以破坏金属管道的3PE保护层。可见高幅值的雷电流可破坏埋地长输管道的防腐保护层,导致金属管道失去保护,加速腐蚀,产生泄漏风险。

雷电流A波发生器的设计与实现

为了进行军械的雷电间接效应试验,设计并实现了一种基于自动控制的雷电流A波发生器。该发生器采用恒流充电方式对电容充电,通过对放电回路的计算分析,得到了产生标准A波波形所需要的回路参数。整个装置由智能控制系统远程控制,操作方便,安全可靠。试验结果表明:该发生器可产生峰值0.6~17 k A的标准雷电流A波波形,输出波形参数满足要求,为后续开展军械的雷电间接效应研究提供了设备支持。

碳纤维增强复合材料层压板的雷击烧蚀损伤及剩余强度分析

轻质高强的碳纤维增强复合材料(CFRP)已广泛应用于飞机结构中,但是相较于金属而言其导电性能较弱,因此必须考虑雷击的影响。由于雷电流分量C波通常对CFRP造成的损伤最为严重,因此本文建立了C波的热电耦合模型和CFRP层压板的有限元模型,模拟CFRP层压板在C波作用下的雷击损伤。雷击后,CFRP层压板内部在室温下存在热辐射和热传导,会使得损伤进一步扩展。基于扩展后的损伤,使用Hashin准则进行失效判定,预测了CFRP层压板的剩余压缩强度。

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4%;微波亮温脉冲幅度的最大值约125K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。

铝穹顶储罐雷击损伤及燃爆风险研究

针对铝穹顶储罐雷击问题,开展了回击后长持续时间雷电流分量作用下的铝合金板烧蚀损伤试验研究,分析了铝穹顶储罐损伤及油气燃爆风险。结果表明:当直流分量为164 C时,2 mm铝板发生穿孔,铝穹顶储罐存在雷击燃爆风险;当直流分量≤157 C时,未穿孔,背面温度最高为480℃,存在燃爆风险,铝穹顶储罐存在雷击燃爆风险;当直流分量196 C时,4 mm铝板发生穿孔;当直流分量为196 C时,6 mm铝板未发生穿孔,背面温升为125℃,小于205℃,铝穹顶储罐不存在雷击燃爆风险。

输电线路架空导线雷击断线断股试验研究

文中针对输电线路架空导线的雷电流烧蚀特性设计试验,选取较有代表性的且常用的JL/G1A-240/30、JL/G1A-300/25这两种型号导线作为实验样品,对这几种样品分别进行电荷量为50 C、100 C、150 C、200 C的雷电流模拟雷击试验,试验发现两种规格的架空输电线路导线都表现出良好的耐雷电流烧蚀能力,100C及以下雷电流作用下,2种规格导线都不会出现断线断股现象,最大200 C雷电流作用下,JL/G1A-300/25导线平均出现2股断线断股现象,JL/G1A-240/30导线没有出现断股现象,相比而言JL/G1A-240/30导线耐雷性能更好。输电线路烧蚀特性与钢芯铝绞线的单根铝绞线直径密切相关,单根铝绞线直径越大,导线越不容易发生断股现象。