The Copper Thin Layer Deposition by Pulse Vacuum-Arc Sprayer

In this work, the deposition process features of a copper coating on stainless steel substrate, using the pulse vacuum arc spraying method were researched. A continuous layer of copper was deposited on a stainless steel substrate, and a high degree of coating adhesion to the substrate was demonstrated. The thickness of coating using application time was calculated, and the surface unevenness was estimated. Inside the coating layer substrate material elements were observed, that could appear as a result of simultaneously plasma spraying on the surface of the substrate. The feature of this method was discovered, that surface plasma plays a significant role in the deposition process. Finally, it was shown that the device with a pulsed arc could effectively be used in industry, since it is possible to change the layer thickness in the range of hundreds of microns by varying the deposition time.

大电流真空电弧开断过程瞬态特性仿真分析

针对开断过程中传统稳态模型无法表征真空电弧动态特性问题,以工频电流下开断峰值为10 kA大电流真空电弧为研究对象,搭建等离子体弧柱区二维物理模型,在已有双温磁流体动力学稳态模型中引入密度、温度、压力及速度等流场参数时变项,同时利用动网格技术控制弧柱区变化速率,模拟触头分闸过程,综合考虑电流及开距变化情况下等离子体各物理场参数变化,以获取开断时电弧微观流场瞬态特性,探究开断过程中电弧形态及能量变化。分析结果可知:离子压力、温度、电子温度和阳极表面能流密度均随动、静触头分离而减小;离子速度无明显变化;等离子体不断向外扩散,由于电流减小,金属蒸汽源也逐渐减少,极间等离子体密度降低,阳极尚未达到活跃程度,最终电弧熄灭。

高铁过电压对车载牵引供电系统的影响机理及抑制方法:系统性综述

为了追求更高的牵引速度及更强的运载能力,高铁车载牵引供电系统功率容量不断提升,现有牵引供电系统及关键设备需要应对更高频次、更大幅值的过电压冲击,如何保障列车在高速运行状态下牵引系统安全、可靠地运行是如今高速列车设计面临的重要技术挑战。详细调研了过电压导致牵引供电系统出现的典型故障,归纳了高速列车中过电压的种类及相关特性,目前主流的牵引供电方式包括采用带回流线的直接供电方式与自耦变压器(automatic transformer,AT)供电方式,均是单相交流供电制式。为了保障三相负荷平衡,防止系统中负序电流的产生,传输异相电流的相邻供电臂间通过绝缘分相区进行隔离。列车在驶过分相区时需要操作车载真空断路器(vacuum circuit breaker,VCB),分合闸过程中会产生剧烈的过电压冲击;此外,“弓-网”离线电弧及“轮-轨”滚动电弧频发,也伴随着过电压。通过调研目前已构建的牵引供电系统过电压特性仿真模型,探究了过电压的产生机理及传播规律;梳理了影响过电压特性的关键因素及抑制措施;明确了未来的研究重点,即“弓-网”及“轮-轨”燃弧过电压产生的机理和影响;“多车共臂”及“多车重联”工况下过电压的传播规律;展望了“源头-路径-终端”三位一体的过电压抑制方法。

磁控触头旋转开断过程中直流真空电弧形态与电压特性

为探索直流断路器磁控触头开断产生的真空电弧形态演变规律及其电压特性,提出了一种在触头直拉基础上附加阴极旋转运动的开断方式“旋转—直拉开断”。由于磁控触头开断电流自生磁场会影响真空电弧发展过程,文章对阴极旋转开断产生的磁场进行了仿真分析。同时搭建了可拆卸真空灭弧实验平台,对万字型横磁触头和杯状纵磁触头在不同开断方式下的真空电弧的形态演化规律以及电弧电压特性进行了对比分析研究。仿真与实验结果表明:真空电弧在旋转开断方式下受到触头磁场和旋转离心力的共同作用,燃弧时间更短、由限制型电弧向扩散态的转变更快、熄弧效率更高。“旋转—直拉开断”使得在阴极表面的亮斑运动加速,使得电弧能量逸散更快有效提高熄弧能力。

大电流真空电弧中阳极熔化过程的实验与仿真研究

大电流真空开断过程中,阳极触头在电弧作用下的熔化过程极大地影响着开断结果。目前对阳极熔化的研究集中于铜及铜基合金,所涉及的材料热特性参数较为局限。为了在更大物性参数范围下剖析阳极熔化机理,该文对W、Mo、Cr、Fe四种材料开展了阳极熔化实验研究,同时建立电弧磁流体动力学模型及阳极传热模型对熔化过程进行仿真模拟。结果表明,在固定阴极为Cu的大电流燃弧实验中,四种阳极材料的临界熔化电流分别为14.0、11.9、8.6、7.5 kA;在阳极热过程模拟中,确定了阳极输入能流密度的空间与时间分布,并得到了阳极表面温度。四种材料的阳极最高温度均出现在燃弧时刻7.0 ms附近,临界电流下计算得到的阳极最高温度与相应材料熔点误差小于150 K。

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。

热轧温度对Ti-Zr-V-Nb-Si合金微观组织和力学性能的影响

采用真空电弧熔炼制备了密度仅为6.1 g/cm^(3)的(TiZrV_(0.5)Nb_(0.5))_(99.4)Si_(0.6)轻质高熵合金,并分别选取900℃、1000℃和1100℃的热轧温度对合金进行轧制改性处理,探究了不同热轧温度对微观组织与力学性能的影响。结果表明:真空电弧熔炼制备的合金经轧制后强度和延伸率均得到提高,在900℃下热轧的合金具有的1164.5 MPa的拉伸断裂强度以及14.7%的延伸率,性能提升最佳,较铸态合金分别提高了13.9%和950%。随着热轧温度的进一步升高,合金平均晶粒尺寸变大、力学性能不断下降。900℃下热轧后合金优异的综合力学性能是位错增殖、固溶强化、第二相强化和晶粒细化四种强化机制共同作用的结果。

混合式直流断路器内部关键参数对电弧电流转移特性的影响研究

真空电弧电流转移是自然换流型混合式直流断路器开断过程中的一个重要组成部分。文中通过建立真空电弧电流转移的理论分析模型,得出影响真空电弧电流转移的主要因素为真空电弧电压、内部杂散电阻电感参数和电力电子器件的串并联结构。实验方面,通过改变电力电子开关中电力电子器件的串联或并联个数研究了电力电子器件的串并联结构对真空电弧电流转移特性的影响,通过改变电力电子开关中杂散电感或电阻的数值和所处位置研究了内部杂散电阻电感参数对真空电弧电流转移特性的影响。最后,探究了促进电弧电流转移的方法。本研究将为混合式直流断路器的结构设计和参数优化提供理论依据。

不同长径比下真空电弧自由燃弧特性的研究

该文研究不同触头开距(g)与直径(D)比值(g/D)条件下真空电弧的自由燃弧特性,以为进一步研究电弧控制方法提供理论支撑。实验选用直径为42 mm、材料为CuCr50合金的平板触头,采用触发引弧的方式,分别观察12 mm(g/D=0.286)、24 mm(g/D=0.571)、36 mm(g/D=0.857)触头开距,2.4至5.2 kA电流峰值(Ipeak)条件下的真空电弧。结果表明:不同长径比真空电弧阴极斑点扩散速度与阴极斑点平均承载电流接近,阴极斑点扩散速度与电流峰值的平方根成正比;小长径比(g/D=0.286)真空电弧在电流峰值较大时(Ipeak>4 kA)会依次出现扩散电弧模式、点状阳极斑点模式、阳极斑点模式;大长径比(g/D=0.571、0.857)真空电弧中大量阴极斑点在初始扩散阶段结束后长期维持在阴极触头侧面,未观察到稳定的阳极斑点。结果表明:大长径比与小长径比真空电弧在形态以及阳极现象上存在较大的差异,涉及大长径比真空电弧时需要考虑电弧对于触头侧面烧蚀的问题。

GH4742合金真空自耗铸锭中夹杂物分布特征

以ϕ570 mm的合金锭作为自耗重熔的电极,通过起弧、稳定熔炼和热封顶三个阶段,制备ϕ660 mm的真空自耗铸锭,熔炼过程共历时860 min。采用场发射电子扫描显微镜和夹杂物自动扫描系统,分析了真空自耗重熔GH4742合金工业铸锭内部及其特征位置(锭冠、搁架、橘皮)处夹杂物的分布规律。结果表明,GH4742合金真空自耗铸锭中夹杂物的类型主要有Ti(C,N)、LaAlO_(3)-Ti(C,N)、Ti(C,N)-(Ti,Nb,Mo)C及LaAlO_(3)-Ti(C,N)-(Ti,Nb,Mo)C四种。夹杂物的尺寸主要以<3μm的小尺寸夹杂物为主,从中心到边缘夹杂物的尺寸逐渐降低,夹杂物的数量密度逐渐增多。铸锭中部中心处夹杂物的尺寸最大,最大平均尺寸为4.14μm。铸锭底部中心处的夹杂物数量最少,数量密度为13.23个/mm^(2)。铸锭锭冠、橘皮及搁架处分布着聚集的氧化物夹杂,这是电极上脱落的氧化物在熔池流动作用下运动到铸锭边缘,被边缘凝固区域捕捉形成的。

CuCr55电极触头真空电弧燃弧与烧蚀特性

铜铬合金材料作为电接触领域最重要的触头材料之一,在真空灭弧室中得到了广泛的应用。采用电弧熔炼方法制备了CuCr55触头材料,对比了熔铸CuCr25、熔渗CuCr50和电弧熔炼CuCr55材料的微观结构,并着重分析了电弧熔炼CuCr55触头的真空电弧燃弧与烧蚀特性。利用高速摄影机拍摄短路电流燃弧特性,得到了产生阳极斑点的临界电流。利用电子显微镜观察烧蚀过后的触头表面微观形貌,触头表面未出现材料断裂、细微裂痕或显著隆起。研究结果表明,电弧熔炼CuCr55触头具有铬颗粒细小均匀、显微组织球化弥散分布的微观结构,以及良好的均匀烧蚀特性。

小电流真空电弧多物理场仿真耦合机理研究

真空开关开断过程中产生的真空电弧涉及电、磁、热等多物理场耦合及多物性参数变化,研究其特性对于改进真空开关至关重要。为此,建立小电流真空电弧多物理场耦合模型,利用COMSOL Multiphysics对燃烧过程中的温度、压力、速度、电流密度、磁场强度等关键参量进行仿真,并分析多物理场间耦合机理。结果表明:等离子体温度、压力、电流密度最大值均在阴极表面中心处,磁场最大处靠近阴极侧,速度最大处靠近阳极侧;温度场、电流密度场、磁场随时间变化波动趋势基本一致,速度场波动滞后于压力场。

融合连续过渡模型与Helmer模型的真空断路器开断模型研究

真空断路器广泛应用于中压等级电网中,在频繁操作场景下易出现过电压问题,而真空断路器的弧后暂态过程直接决定了其分断特性和过电压特征。为解决现有真空断路器模型难以同时对其弧后过程和高频特性仿真的问题,该文搭建了融合连续过渡模型和Helmer模型的真空断路器开断模型,并通过试验和计算确定其仿真参数。以切除35kV系统用并联电抗器为例,研究该真空断路器融合模型与连续过渡模型和Helmer模型计算结果的差异。结果表明,融合模型能够同时考虑弧后介质恢复过程中重击穿和冷间隙重击穿现象;其弧后参数计算与连续过渡模型基本一致,高频开断特性和Helmer模型较为接近。通过分析高频开断过程中的鞘层生长和重击穿情况,可以得到引起真空断路器高频重击穿的主要原因。该文仿真结果验证了所提出的真空断路器开断模型的准确性,可为真空断路器高频分断条件下的弧后鞘层发展分析和重击穿原因判断提供参考。

基于MeltFlow-VAR的TC18钛合金铸锭VAR熔炼的数值模拟

真空自耗电弧熔炼的工艺参数显著影响铸锭的冶金质量,采用数值模拟技术可以将复杂的VAR过程可视化,预测工艺参数的合理性,指导实际生产。本文介绍了MeltFlow-VAR模拟软件的电磁场、流场、温度场、湍流混合的理论控制模型,通过对Φ820mm规格TC18钛合金铸锭熔炼工艺参数的仿真模拟研究,掌握了该钛合金熔炼过程中的熔池形貌、熔池深度、化学成分分布和温度场变化规律,以及成品钛合金铸锭中组织的分布特点。

真空灭弧室内电弧形态演变研究

真空灭弧室内电弧形态演变会影响灭弧室内部各物理场的变化以及真空灭弧室的使用寿命。为了精确划分1个分闸周期内电弧形态的演变阶段并描述各阶段电弧形态特征,利用Labview平台的图像处理技术对高速相机采集到的电弧图像进行图像降噪、边缘加强处理,结合像素统计技术统计电弧上、下边缘像素点的坐标信息并计算电弧直径,采用阈值分割技术提取电弧纹理特征并统计电弧区域的像素个数。结果表明该方法可实现电弧形态特征的提取,提高了电弧演变各阶段时间划分的精度。该实验结果可作为后续动态仿真分析电弧烧蚀触头材料的数据支撑。

TC2钛合金中Mn元素挥发规律的分析研究

本文研究了TC2钛合金经过一次真空自耗熔炼和二次真空自耗熔炼后,成分中易挥发元素Mn的挥发规律。对铸锭外圆不同部位和二次锭头、尾横截面部位的Mn元素挥发程度进行了试验和检测分析,结果表明:经过一次真空自耗熔炼后铸锭局部Mn元素的挥发损耗为6%;经过二次真空自耗熔炼后Mn元素的挥发损耗为40%~50%;尾部横截面上Mn的分布均匀性更差。

Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金及涂层的组织与性能

采用真空电弧熔炼与冷喷涂辅助感应重熔制备Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金及涂层。利用XRD、SEM、显微硬度计、磨料磨损实验机对高熵合金及涂层的相结构、微观组织以及耐磨损等性能进行测试分析。结果表明:真空电弧熔炼制备的Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金为FCC和BCC相固溶体结构,其组织形貌主要为枝晶和枝晶间组织,冷喷涂辅助感应重熔合成Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金涂层的相结构为单一的BCC结构,其组织形貌为枝晶和枝晶间组织。由于感应重熔合成Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金涂层较电弧熔炼制备的高熵合金具有更大的晶粒尺寸,同时涂层的原子尺寸差δ大于合金的原子尺寸差,导致感应重熔合成Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金涂层的硬度是真空电弧熔炼高熵合金的1.37倍,其磨损率比真空电弧熔炼制备的高熵合金磨损率降低18%。真空电弧熔炼与冷喷涂辅助感应重熔制备Fe_(0.5)CrMnAlCu高熵合金及涂层的磨损机制主要是黏着磨损、磨粒磨损。

ϕ690 mm大尺寸GH4738合金真空自耗重熔数值模拟与工业试验

为探究大尺寸高温合金真空自耗重熔工艺,提高铸锭均质化、洁净化水平,采用数值模拟与工业试验相结合的方法,研究了ϕ690 mm锭型GH4738合金真空自耗重熔过程熔池演变、凝固特征以及夹杂物分布规律。结果表明,随着熔炼的进行,模拟的熔池由“浅平”形逐渐向“浅U”形转变,熔炼500 min后,熔池逐渐趋于稳定,冶炼过程最大熔池深度和糊状区宽度分别为200.88、72.38 mm。稳定熔炼期间,铸锭表面和中心的冷却速率分别为0.126、0.009 K/s,高度超过0.4 m后,铸锭冷却速率基本维持稳定。模拟了6种粒径的夹杂物在熔池中的运动轨迹,>20μm的夹杂物在熔池内作螺旋运动,大部分在熔池表面与铸锭侧壁接触面被捕获,≤10μm的夹杂物进入熔池后沿熔池底部向内运动,最终停留在铸锭内部,与工业铸锭检测值基本一致。

真空与气体一体化串联机械开关及其直流快速转移应用

为提升中压混合式直流断路器的自然换流性能,该文提出一种真空与气体一体化串联机械开关,分析真空与气体一体化串联用于电流转移性能的工作原理。并基于此设计了双超程联动的真空与气体一体化串联开关实验样机,研究了气体类型、气压、触头结构、触头材料等参数对电弧电压特性的影响规律,确定了W70Cu桥式两触点结构,采用H2和N2体积比为2:3、气压为0.3 MPa的氢氮混合气体,弧压可由20 V提升到120 V,电流转移时间由1 900μs缩短至300μs。同时测试了静态瞬态开断电压(TIV)分布特性,真空间隙承担主要电压(55%),串联整机耐压水平为20 kV。验证了真空与气体一体化串联开关应用于中压混合式直流断路器的可行性和有效性。

环保型高压真空开关电流开断基础

针对“双碳”战略下绿色环保开关设备的发展需求,“真空灭弧+洁净空气”绝缘方案对于开关设备的SF_(6)替代目标而言是一种彻底的解决方案。对于真空开关向更高电压等级发展面临的关键问题进行全面分析,重点阐述真空开关在高电压大电流下的开断问题。基于真空电弧的基础理论,将弧后介质恢复过程分为残余等离子体消散阶段、金属蒸气恢复阶段、金属液滴与熔融触头表面恢复阶段,并对比分析3个阶段下真空灭弧室电极间隙的恢复特性。针对环保型真空开关向更高电压等级发展的需求,总结归纳真空灭弧室在绝缘设计、电弧控制、X射线辐射、载流发热方面的关键问题,阐述洁净空气绝缘在实际应用过程中的难点和解决措施,旨在为252 kV及以上电压等级真空开关的研究与设计提供参考。最后,讨论高压真空开关的研究现状和发展趋势。