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。

栅片式直流接触器开断电弧过程中的重击穿现象及成因研究

为了探究直流接触器产品开断过程中电弧重击穿的物理机理,在考虑非均匀磁场分布的情况下建立磁流体动力学(MHD)模型,发现不同铜蒸气浓度下的2种电弧重击穿现象,即栅片间电弧重击穿和触头间电弧重击穿。触头间电弧重击穿会显著增加电弧燃弧时间,在实际应用中应尽量避免。电弧重击穿现象的发生与灭弧室内的气流漩涡和动静触头间的气体流速差有关。研究结果可为直流接触器灭弧室的设计提供理论指导和定量数据参考。

雷击过程中避雷线弧根的滑行运动建模与分析

避雷线(overhead ground wire,OGW)是防止输电导线遭受雷击的重要设备。当OGW遭受雷击时,弧根的滑行运动会导致不一样的损伤机理,因此有必要对弧根的滑行运动进行分析,从而为损伤机理的研究和避雷线的选型设计提供滑行位移的数据支持。首先,文中基于链式建模方法建立了弧根沿着OGW的滑行运动模型,并通过分析电磁力的主要影响范围,缩小了建模的空间边界,从而大幅度减少了计算量;然后,通过实验室内的针-线放电实验对模型进行了验证;最后,基于所建立的模型,对弧根滑行位移的影响因素,包括热浮力、回击电流和持续电流,进行了分析。结果表明,在回击电流的作用下,热浮力的影响可以忽略。弧根的滑行位移与波尾时间成正相关,而与波头时间无关。在持续电流的作用下,热浮力会影响弧根滑行位移的评估结果,最大误差超过了25%。

基于精益生产船舶设计预留引熄弧区域技术创新

针对船舶建造中对接焊缝使用引熄弧板产生的安装繁琐、焊后变形、翻身时折断、损伤母材、制作工作量大等问题,从再利用的视角,利用钢材定制时留有的余量部分,在下料切割时将工件母材与引熄弧板一起切割出来,简称“引熄弧板与母材一体化”,从而将母材与引熄弧板这两者融合成一个整体,解决现场生产难题,提高了生产效率,保证了焊接质量,降低了综合成本。

关于解决站台门打火问题的分析

在地铁站台门运行的过程中,有关打火的事件时有发生。打火位置主要集中在顶箱盖板上方,原因有两点:一是站台门金属结构被“异物”搭接;二是站台门金属结构与“异物”的距离小于电气间隙,从而导致站台门的整体绝缘效果被破坏。打火时会产生浓烟和剧烈火花,极易造成候车乘客恐慌,甚至可能会引起火灾,威胁乘客的生命财产安全,亦会严重影响地铁正常运营。地铁作为市民出行首选,其安全问题不容忽视。本文通过分析武汉地铁线网目前的站台门安装情况,介绍一种新式站台门绝缘连接结构,针对打火问题给出了解决方案和改进措施。

基于蒙特卡洛方法的配电网线路雷击跳闸率计算

雷击是造成配电网线路跳闸的主要因素,现提出基于蒙特卡洛方法来计算雷击跳闸率。通过模拟线路遭受雷击并判断随机变量的值是否满足线路跳闸的条件,对模拟结果进行统计,并通过屏蔽因子进行修正得到雷击跳闸率。同时结合某地区的雷电流幅值概率分布拟合曲线,计算该地区配电网线路的雷击跳闸率,并与IEEE和国标推荐法计算出的雷击跳闸率进行了比较,得出基于蒙特卡洛方法的拟合曲线计算出的雷击跳闸率更接近实际进行统计值,表明所提出的方法相比IEEE和国标推荐法具有较高的准确性。

工程陶瓷引弧微爆炸加工边缘碎裂的周向包封研究

针对工程陶瓷引弧微爆炸加工时的边缘碎裂现象,提出了一种利用低熔点金属周向包封施加预应力控制陶瓷材料加工边缘碎裂的方法。介绍了周向包封工艺,开展了包封后工件的引弧微爆炸加工实验,并通过有限元方法对工程陶瓷包封过程中的温度场及应力场进行了仿真,揭示了周向包封控制工程陶瓷引弧微爆炸加工边缘碎裂的机理。

220 kV交流双回线路同时跳闸故障分析

雷击跳闸是线路跳闸的主要原因,故障分析是确定故障点和解决故障的重要环节。首先,以一起雷击引起的220 kV交流双回线路同时跳闸的故障为例,梳理涉及到线路保护单跳单重、远跳动作以及由于开关燃弧引起母差保护跟跳动作、母差失灵保护动作等;然后,基于录波波形和保护动作原理,采用故障状态划分的方法分析故障过程;最后,结合现场实际情况对保护动作正确性进行分析,结果表明:该方法可以清晰地分析出故障过程及保护动作的正确性,为现场人员分析复杂的跳闸事故提供参考。

6/10 kV配电线路防雷分析及应用

针对河南油田6/10 kV配电线路雷击跳闸情况,进行雷击过电压分析,得出雷击跳闸的主要原因为建弧率过高。由6/10 kV配电线路不同绝缘子配置方案下的雷击过电压的仿真计算结果可知,采用“一针两棒”绝缘子优化方案可使建弧率大幅降低,方案效果显著。

雷击降弓过程中机车受流动态特性研究

针对雷击环境下重载列车降弓燃弧导致的行车安全问题,以实际牵引系统为参考,仿真建立雷电流与降弓运动环境下牵引系统弓网电弧综合模型。基于机车运行与电弧特性两个方面,研究宏观层面功率与高压侧整流侧电流的变化规律,同时分析了弓网电弧动态特性变化,评估雷击下降弓过程对时速73 km/h重载机车受流动态特性的影响。通过仿真对比得出,雷击降弓中的电弧使受电弓电源电压对电缆的寄生电容充电,由于机车高压端设备和受电弓的电感,影响了等效电路的振荡波动和过电压峰值;雷击降弓电弧存在滞后性;输入的雷电电流会引起牵引系统电感电容变化,也会改变电弧形成的等离子体的电容,从而增加电弧的储电能力和电弧电容对电压的敏感性。通过仿真为正确评估雷击环境下牵引系统特性研究提供理论数据,为提高牵引供电系统的安全运行奠定一定的技术基础。

高气压环境等离子弧行为与工艺研究

等离子弧切割技术因其高效稳定的工艺优势被广泛应用于工业领域.文中以空气等离子弧为研究对象,通过COMSOL Multiphysics软件建立了喷嘴结构的二维轴对称有限元数学模型,并对电弧磁流体模型进行了优化.基于磁流体动力学和电弧等离子体理论,选用等离子平衡放电多物理场接口,并确立了空气等离子电弧模型的控制方程和边界条件,实现对电弧模型的编译求解.仿真结果表明,在引弧电流一致的条件下,随着环境压力的增加,电弧在温度分布和速度分布上均呈现收缩的态势.基于3 MPa高压焊接试验舱,搭建了高压环境等离子弧切割实验系统,通过对气路和非高频引弧电路的优化设计,实现了环境压力为0.1~0.7 MPa的稳定起弧.并基于此开展了高压梯度下的等离子弧切割实验,并结合切割质量指标研究了环境压力对等离子弧电离行为的影响.

热塑性复合材料的电弧附着特征

碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)作为一种潜力巨大的结构材料逐步在航空器上获得应用,然而该种材料的雷电电弧附着特征还尚不清楚.因此,通过模拟雷击的试验方法,研究了CFRTP的电弧附着特性,同时,开展了基于有限元方法的CFRTP对空间电场的改变效应分析,并与金属材料进行了对比.研究得到,航空器结构中,在同时包含CFRTP和金属材料情况下,CFRTP是雷电电弧的可能附着点,但电弧附着概率较金属材料低22.5%.雷电电弧附着过程中CFRTP表面出现了单个上行先导、多个上行先导的情况而产生对应的单个或多个电弧附着点情况,存在雷电电弧同时附着于金属和CFRTP的现象.仿真计算得到的空间电场分布结果与试验结果相符.研究为CFRTP的雷击特性和损伤响应提供基础.

基于复合材料的地铁屏蔽门整体绝缘结构设计

目前国内地铁屏蔽门由于地下工况环境恶劣而普遍容易发生绝缘失效。针对当前地铁屏蔽门绝缘部件易失效、难排查、难维护的问题,文章提出了一种能有效解决屏蔽门绝缘失效及其引发打火问题的整体绝缘的复合材料结构设计方案,完成了各结构部件的绝缘设计,通过试验验证了该设计方案的可行性和有效性,为后续屏蔽门绝缘防护和安全升级提供了指导。

10 kV绝缘架空线路雷击断线仿真分析

为研究10 kV架空绝缘线路雷击断线机理,基于COMSOL建立绝缘导线烧蚀模型,对导线受到雷电流和工频短路电流时的烧蚀状况进行仿真,然后建立导线受力模型,分析导线被烧蚀时的受力情况。根据仿真结果,雷电流仅在导线绝缘层留下一击穿孔;若不考虑外力影响,工频电弧能在1.3 s内将绝缘导线烧蚀熔断。绝缘导线的力学仿真结果显示,导线在烧蚀处的张力发生突变,并且受到线间电动力及电弧电磁推力的作用。结合理论分析得出雷击断线的主要原因是导线在热学及力学共同作用下发生塑性形变及脆性断裂,造成断线,断口介于塑性断裂和脆性断裂之间。该仿真研究可为10 kV架空绝缘导线的防雷提供参考。

钢/铝线冲击焊电流参数对引弧和飞溅的影响

利用精密高频逆变冲击焊机进行了钢/铝异种金属线对接冲击焊试验,采集焊接过程的电流信号,并使用高速摄像技术对引弧过程和焊接飞溅进行了研究,分析了焊接电流参数对焊点形貌和抗拉载荷的影响。结果表明,随线圈电流增大,引弧时刻提前,缓升阶梯模式下引弧瞬间电流减小,同时引弧电流上升速度较慢,容易出现引弧失败;三段阶梯模式则不受影响,因为其引弧电流较大,上升速度快,电场较强,能够快速引弧。焊接过程中燃弧间距不足易导致熔滴短路进而爆炸飞溅。增大电磁线圈电流能抑制弹片的回弹幅度,保证燃弧间距,进而减少飞溅的发生。在三段阶梯电流模式下,调整线圈电流为14.5A,减少了焊接过程引弧失败和飞溅现象,获得形貌良好和抗拉载荷稳定的焊点。

低压成套开关设备内部电弧故障的试验技术

低压成套开关设备在整个电力系统中主要负责对低压配电系统进行控制、保护、监测,低压成套开关设备覆盖面极广,该文介绍了电气设备发生电弧故障的发生机理,通过分析低压成套开关设备的寿命预测,解决发生故障所存在的“过剩维修”问题。结合《封闭式低压成套开关设备和控制设备在内部故障电弧情况下得试验导则》,对低压成套开关设备的内部电弧故障展开试验研究,并对试验结果进行分析。

触头及引弧结构对直流开断特性的影响分析

对某型直流高速断路器的带载分断能力进行测试,发现每次试验测量的燃弧时间、截断电流数据波动很大。经过现场实物分析,发现电弧在触头棱边处烧蚀严重、引弧角处跑弧路径随机性过大,本文对触头及引弧角结构进行了优化改进,对触头棱边进行了倒角处理,对引弧角中间部位进行了开槽处理,并进行带载分断试验。试验结果证明了优化方案的可行性,也证实了优化后的结构提升断路器带载分断能力。

电弧喷涂Zn-Al-Ni-Cu复合涂层的微观组织和性能

在保证涂层品质和性能的基础上,为有效降低电弧喷涂丝材的成本,利用电镀技术在锌铝合金丝材上依次电镀纯铜和不同厚度的镍层,再通过电弧喷涂技术在Q235钢表面制备了Zn-Al-Ni-Cu复合涂层,并与传统Zn85Al15和Ni95Al5丝材制备的涂层进行性能对比。采用X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)表征了丝材的微观结构和各涂层的物相组成、元素成分及表面形貌。结果表明:合金丝材上镀层的结合力较强,镀层与基体的界面无明显的孔洞。以电镀镍的Zn Al丝材制备的涂层主要包含Zn相、Al相及其两相组成物,其中Zn、Al两相组成物的X射线衍射峰较ZnAl涂层有所增强。考察各涂层的摩擦磨损性能、电化学性能和耐中性盐雾性能后发现,相较于Ni Al和Zn Al涂层,Zn-Al-Ni-Cu复合涂层的摩擦因数更小,耐海水和耐盐雾腐蚀性能更优异。

弓网电弧起弧和熄弧距离及电弧烧蚀磨损的试验研究

利用自行研制的弓网电弧试验系统,研究弓网电弧起弧和熄弧距离。提出一种弓网电弧起弧和熄弧距离在线测量方法,通过试验研究电压、电流对弓网电弧起弧和熄弧距离的影响以及滑板电弧烧蚀磨耗的影响。试验结果显示,弓网离线起弧和熄弧距离随着电压的增大近似呈线性地增大;滑板电弧烧蚀磨损量随着电压和电流的增大而显著增大;电弧烧蚀磨损量与电弧能量密切相关,随着电弧能量增大,滑板磨损量也随之增大。

钨极氩弧焊的小电流接触引弧方法

小电流接触引弧是目前钨极氩弧 (TIG)焊自动引弧的发展趋势 ,本文在分析了小电流接触引弧工作原理的基础上 ,指出影响引弧成功率的主要因素是短路电流和短路时间、热引弧电流和热引弧时间。同时 ,本文设计了一种采用单片机控制的适合于自动焊接设备的接触引弧系统。该系统具有控制精度高 ,可以很好地解决接触引弧过程中出现的夹钨等缺陷问题 ,更为优越的是该系统与弧长自动控制系统共用一套计算机硬件电路和执行机构 ,仅增加部分程序 。