配电网用气体间隙开关触发腔性能劣化进程及剩余寿命预测方法

气体间隙开关重复触发动作导致其触发腔的机械性能、电气性能降低,在配电网快速控制与保护应用场景中的影响或将更加显著,亟须开展触发腔性能劣化及其寿命预测研究,为此搭建了气体间隙开关触发放电研究平台。研究结果表明,随着触发放电次数的累积,触发腔针电极处内径、喷口直径与内壁表面粗糙度均逐渐增大,喷口内壁出现凹坑、凸起点,针电极处的烧蚀孔洞由“点—线—面”发展,引起气体开关触通过程中的等离子体喷射特性参数(喷射高度、喷射直径、喷射面积)逐渐减小,触通时延、击穿时延均明显增大。在强绝缘、强电负性SF6触发环境中,计及放电烧蚀分解产物的电负性效应,致其喷射等离子体发展过程受到明显抑制,显著制约了触发寿命。选取喷射高度为预测因子,建立基于长短期记忆神经网络(LSTM)的气体开关剩余触发寿命预测模型,模型预测值与试验值间的方均根误差、平均绝对百分比误差分别低至0.063、0.055,剩余触发寿命预测误差在10%以内。研究结果可为气体开关运行稳定性及寿命预测提供参考。

气体间隙开关喷射等离子体触发性能劣化及剩余触发寿命预测研究

喷射等离子体诱导型气体间隙开关用于电力系统过电压防护具有明显优势,但高注入触发能量下多次放电累积效应引起的触发失效问题严重,极限可触发次数具有不确定性,亟须开展触发寿命与触发有效参数的关联规律以及剩余触发寿命预测研究。为此该文搭建了气体间隙开关触发寿命研究平台。结果表明,低容值触发电路可迅速建立触发放电主通道,电弧电流可达3.7kA;高容值触发电路提高了用于解离产气材料而形成喷射等离子体的能量,显著提升了触发腔等离子体喷射触发能力。触发回路电容C_(1)距C_(2)放电时延Δt_(0)、击穿时延Δt_(1)、触通时延Δt_(2)可分别用于表征触发一级腔、二级腔、气体开关导通性能的劣化程度,其变化过程可用于表征气体开关触发失效的阈值范围。以等离子体喷射高度作为预测因子,建立了气体开关剩余触发寿命预测模型ARIMA(1,1,2),预测值与试验结果基本吻合,剩余触发寿命预测误差在10%以内。研究结果可为气体间隙开关实现稳定触通及触发寿命预测提供理论参考和工程应用指导。

Analysis on discharge process of a plasma-jet triggered gas spark switch

The plasma-jet triggered gas switch （PJTGS） could operate at a low working coefficient with a low jitter. We observed and analyzed the discharge process of the PJTGS at the lowest working coefficient of 47% with the trigger voltage of 40 kV and the pulse energy of 2 J to evaluate the effect of the plasma jet. The temporal and spatial evolution and the optical emission speclrum of the plasma jet were captured. And the spraying delay time and outlet velocity under different gas pressures were investigated. In addition, the particle in cell with Monte Carlo collision was employed to obtain the particle distribution of the plasma jet varying with time. The results show that, the plasma jet generated by spark discharge is sprayed into a spark gap within tens of nanoseconds, and its outlet velocity could reach 104 m s-1. The plasma jet plays a non-penetrating inducing role in the triggered discharge process of the PJTGS. On the one hand, the plasma jet provides the initial electrons needed by the discharge; on the other hand, a large number of electrons focusing on the head of the plasma jet distort the electric field between the head of the plasma jet and the opposite electrode. Therefore, a fast discharge originated from the plasma jet is induced and quickly bridges two electrodes.

Generation characteristics of a metal ion plasma jet in vacuum discharge

To improve the performance of a metal ion plasma jet in vacuum discharge, an anode-insulated cone-cylinder electrode with insulating sleeve is proposed in this paper. Discharge characteristics and generation characteristics of plasma of the electrode are investigated, effects of diameter of insulating sleeve, variety of cathode material and length of the insulating sleeve on characteristics of metal ion plasma jet are discussed. Results indicate that a directional and steady plasma jet is formed by using the novel electrode with insulating sleeve under high vacuum conditions. Moreover, the properties of metal ion plasma jet are improved by using the aluminum cathode and thin and long insulating sleeve. The study provides strong support for research of vacuum metal ion plasma thruster and ion implantation technology.

基于深度强化学习的近壁圆柱绕流控制

基于深度强化学习方法(deep reinforcement learning,DRL),采用一对施加在圆柱表面的质量流量为零的射流,对Re=200,400,间隙比G/D=0.5,0.7,1.0,1.5,2.0的近壁圆柱进行主动流动控制研究。通过DRL方法获得不同参数下的射流控制策略与相应控制效果,并讨论了不同射流位置(90°,270°)、(90°,320°)、(90°,360°)对控制效果的影响。研究发现Reynolds数、间隙比和射流位置都对控制效果有重要的影响。射流位置为(90°,270°)时通过DRL控制可以有效降低阻力系数及其波动,控制后的圆柱尾迹被拉长且圆柱前后压差降低。射流位置为(90°,320°)和(90°,360°)的控制效果相似,都能使平均阻力系数有所降低,但控制位置的不对称性导致控制后的阻力系数波动较大。Reynolds数和间隙比的增大会增加控制射流的质量流量水平,在相同条件下,使用(90°,270°)的射流位置可以用相同的质量流量得到更好的控制效果。

泵喷推进器间隙流动控制技术试验研究

[目的]旨在抑制转子叶梢间隙流动,解决其给泵喷推进器水动力性能和非定常激振力带来的问题。[方法]以某型前置定子式泵喷推进器为对象,采用环状柔性密封结构与转子端环配合的方法,研究其抑制转子叶梢的间隙流动的有效性。通过保持导管结构近似刚性固定,测得推进器转子的推力和扭矩,给出转子的敞水效率,在高功率频闪仪的辅助下,观察记录各设计工况下的空化初生点,计算绘制出推进器的空化初生特性曲线。针对有/无间隙的推进器模型,在空化/非空化状态下通过试验测得转子轴的振动加速度,以此评估间隙消除对轴系振动的影响。[结果]结果显示:带有柔性密封结构的泵喷推进器,其转子的推力和扭矩显著提升,也使得转子敞水效率在中低进速系数下得到显著提升,且在设计点附近基本保持不变,在较高进速系数下略有下降;在设计点附近一段很宽的进速系数(0.85<J<1.40)下,无间隙泵喷推进器的空化性能更优;与有间隙泵喷推进器相比,装有无间隙泵喷推进器的轴系,其轴向振动加速度幅值在大多数特征频率处都显著降低。[结论]研究结果表明,采用柔性密封结构来抑制叶顶间隙流动,对于提高中低进速系数下的转子敞水效率、优化设计点处的空化性能以及抑制推进器的轴系振动等具有积极作用。

±800 kV混合直流输电工程用DC 80 kV SF_(6)/N_(2)等离子体喷射触发间隙研制

白鹤滩—江苏±800 kV混合直流输电工程在交流侧故障穿越过程中,为了限制柔直母线上过电压吸收冗余能量需要加装可控自恢复消能装置。为了实现可控自恢复消能装置的1 ms快速投入,需要研制DC 80 kV SF_(6)/N_(2)等离子体喷射触发间隙。根据工程需求,分析了工程应用条件,明确触发间隙关键技术要求。针对高性能触发的要求,提出了高压脉冲型等离子体双级接续触发方法,设计了同轴层压式产品化触发腔,搭建触发特性试验平台,开展触发性能试验研究,并提出通过监测触发过程中储能电容电压变化在线监测触发性能的方法,研究结果表明,最低可触发电压为50 kV,触发时延在0.3 ms以内,空载触发寿命为1800次。针对大直流通流及快速绝缘恢复的要求,依据横磁电极旋弧原理,完成自旋弧主电极设计,开展电场及旋弧仿真,设计搭建了通流及绝缘恢复试验回路开展试验研究,拍摄电弧运动。结果表明,电弧能够沿主电极边缘高速旋转,实现30kA/50ms通流后0.1s恢复耐受1.5倍额定电压、通流寿命50次。基于上述关键问题的解决,完成了双冗余等离子体喷射触发间隙本体及高电位测控的成套装置结构设计,研制了样机并通过了第三方性能试验验证,绝缘、触发和通流关键技术指标全面满足白江工程要求并将工程应用。

大尺度大气压均匀介质阻挡放电等离子体射流的生成特性研究

搭建了一种能够生成大尺度大气压氮气均匀介质阻挡放电等离子体射流的电极结构实验装置。利用电场仿真软件和流体仿真软件研究了该电极结构的电场分布和流场分布;通过实验,分别对放电特性和射流特性进行研究。结果表明:采用厚度不均匀的阻挡介质,有利于在放电间隙中形成产生起始放电的亚毫米间隙,有利于沿电子崩的发展方向形成产生均匀放电的先大后小的电场分布,进而在大气压氮气或空气中实现较大区域的均匀介质阻挡放电。在实验中,利用气流的作用,在大气压氮气中实现了长10 mm、宽15 mm的大尺度等离子体射流。

喷射气流灭弧条件下输电线路雷击跳闸率计算方法

喷射气流灭弧防雷间隙是一种以抑制绝缘建弧为目标的主动灭弧防雷方式。为了计算喷射气流灭弧条件下输电线路的雷击跳闸率,首先通过实验统计及概率分析确定了喷射气流灭弧条件下近似理想的建弧系数(约为0.02)以及建弧率计算式,然后基于规程法建立了相应的雷击跳闸率计算模型,最后选取了典型35 k V线路进行算例验证。理论计算表明线路在平原和山区的年平均雷击跳闸率能够分别下降到0.380 8次/(100km?a)和0.384 2次/(100km?a),下降比例分别为95.53%和96.06%。在实际运行中上述两者能够分别下降到0.530 3次/(100km?a)和0.564 1次/(100km?a),下降比例分别为93.78%和94.21%。以上两方面的分析结果基本一致,初步验证了理论计算方法的有效性以及喷射气流灭弧防雷间隙的运行效果。

基于抑制建弧率的新型喷射气流灭弧防雷间隙机理研究

为了大幅度降低线路雷击跳闸率,研究了一种基于抑制建弧率的新型喷射气流灭弧防雷间隙。这种方法将雷击放电路径优先转移至并联间隙,利用雷击电流同步触发高速喷射气流以快速熄灭后续工频电弧,实现＂闪络不建弧＂的理想效果。建立了喷射气流耦合暂态电弧模型,得出了电弧熄灭判据。通过引入相关参数建立了喷射气流条件下线路建弧率计算模型。进行了灭弧实验及抑制建弧效果实验统计,最后分析了其实际运行效果。结果表明,喷射气流可在3～4 ms内完全熄灭电弧,当喷射气流速度达到500 m/s以上时,绝缘建弧率能够减小到1.5%以内,达到了近似理想的抑制建弧效果。在实际运行中,该防雷间隙能够大幅度降低35 kV线路的雷击跳闸率90%左右,以此验证了该方法的有效性及实用性。

100kA微秒级气体火花开关电极喷射现象研究

主要研究了在100kA微秒级电流脉冲作用下气体火花开关电极物质喷射现象的成因及规律。共进行了4种电极材料的喷射特性实验,实验结果表明,在开关放电过程中,电极表面物质喷射速度方向与材料无关,基本与放电点表面垂直,存在明显的发散角(约为12°)。喷射产物的质量分布近似呈cosnφ分布(n约为1400)。

35kV架空输电线路间隙灭弧的研究

为解决35 kV架空输电线路的雷击问题,研制了在35 kV架空输电线路上的防雷保护间隙喷射气流灭弧装置。该装置运用了"瞬时疏导"的防雷理念,能够在线路发生雷击闪络时有效地保护绝缘子串免受工频电弧的灼烧,在疏导雷电能量后能够迅速切断工频续流电弧,实现既可以限制绝缘子的外部过电压又可以避免断路器频繁跳闸的功能。笔者在链式电弧模型的基础上结合激波理论研究喷射气流条件下电弧的运动,对电弧的熄灭过程进行了讨论。在高压试验中借助高速摄像机和数字示波器,获取了在高速气流作用下电弧被迅速熄灭的过程图像和数据。

常德市2002年5月13日大暴雨成因解析

用多普勒天气雷达产品、NCEP1°×1°再分析资料、卫星云图产品、实时探测资料及MM5数值模拟,对2002年发生在湖南常德境内的"5.13"大暴雨进行解析,得出此次暴雨过程由高空低槽、中低层切变及西南急流、地面倒槽和弱冷空气共同影响产生,急流形成、发展与减弱对降水强度有直接的影响。暴雨中心与云图上的"U"形缺口区、多普勒基本速度场上的中低层急流轴线位置有较好的对应关系。多普勒基本速度场上急流强弱振荡出现的时间、低层暖平流之上(高层)出现冷平流的时间、低层气旋式涡旋流场的形成与维持以及低层垂直风切变强度变化对强降水发生的时间有明显的指示作用。数值模拟证实雷达探测到的中尺度涡旋、急流及辐合带是正确的。这些结论对暴雨临近预报业务具有明确的参考价值。

基于缝隙射流原理的离心泵空化控制研究

为了改善低比转速离心泵内的空化流动状态,提出一种在叶片上设置缝隙的被动控制方法,探究该结构对空化的抑制效果及其控制机理.采用数值模拟方法探讨结构对空化的抑制.采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型,对原始叶轮和改型叶轮分别进行定常及非定常数值计算,获得设计工况下2种叶轮形式在各个空化阶段的流场结构及压力脉动特性.计算结果表明:改型叶轮中经缝隙流向叶片背面的高压流体提高了叶片背面的压力,对空化初生、空化发展及空化剧烈阶段均产生了抑制作用,特别是空化剧烈阶段,与原始叶轮相比,其空泡体积分数减少了60.6%;与原始叶轮相比,改型叶轮内液相区的压力脉动主频幅值在各个空化阶段均有所下降.

喷射气体灭弧防雷间隙的灭弧机制

为解决架空输电线路雷击事故频发的问题,一种安装于架空输电线路上的喷射气体灭弧防雷间隙装置得到了开发和应用。当输电线路遭受雷击,雷电冲击电流击穿间隙,导致工频续流时,该装置能够迅速切断间隙两端电弧,有效保护绝缘子串免受工频电弧灼烧。依据现有电弧理论方程模型,运用ANSYS 10.0软件对高速气流和电弧进行仿真计算,同时利用高速摄像机和示波器观测电弧电流的变化过程。试验结果表明间隙电弧在高速气流作用之下能够快速熄灭。

叶片缝隙引流对高速诱导轮性能的影响

为了研究叶片缝隙引流对高速诱导轮性能的影响,以1台带前置诱导轮的高速离心泵为研究对象,就诱导轮叶片设置5种不同缝隙下高速离心泵内部流场进行数值模拟,研究诱导轮叶片缝隙引流对其自身及高速离心泵性能的影响.对比分析了开缝后诱导轮截面内速度分布、诱导轮外特性曲线、高速离心泵空化特性曲线、诱导轮流道内空泡分布以及诱导轮沿轴向位置各截面静压分布规律.结果表明,叶片表面设置缝隙可减弱诱导轮叶顶间隙泄漏流对管道壁面的冲击,削弱叶片进口边吸力面附近的旋涡,改善该区域的流态;缝隙可改变诱导轮流道内压力的分布,从而影响诱导轮流道内的空泡的分布,且合理设计缝隙的大小可使高速离心泵的空化性能得到改善.

新型变截面同心筒发射装置及其热环境气动原理研究

为了更好地改善同心筒导弹垂直发射装置工作时导弹所面临的热环境,分析了影响筒口处燃气温度的因素和出口燃气温度降低过程中的气体动力学原理,并首次从能量守恒的角度分析了以前科研人员在降低出口燃气温度方面所做的研究工作,解释了各种降温方案的原理。还提出了一种变截面同心筒的设计方案,即将同心筒内外筒的间隙设计成收缩-扩张形状(类似于拉瓦尔喷管),利用此变截面同心筒对气流的加速作用来提高燃气的出流速度,以达到降低高温燃气温度的目的。文中用FLUENT对设计结构进行了二维数值模拟,验证了可行性,显示出此方案可在一定程度上改善导弹工作时的热环境。

前缘缝翼尾缘喷流对多段翼流场的影响研究

为了研究前缘缝翼尾缘剪切层对多段翼气动性能的影响,通过在前缘缝翼尾缘添加喷流的方式来改变缝翼尾缘处的剪切层。选取不同的喷流流量和流速等参数,利用CFD手段研究了喷流对缝道的速度分布以及多段翼各个翼面气动力的影响。多段翼二维非定常流场由有限体积法求解的二维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程得到。分析结果得到:前缘缝翼尾缘添加喷流后对多段翼各个翼面压力分布和最大升力系数均有较大影响,其中,主翼最大升力系数、总的最大升力系数、前缘缝翼和后缘襟翼升力系数随着喷流动量系数增加而增加。

弹筒间隙及壁面条件对火箭弹燃气射流的影响分析

为分析火箭弹发射时弹筒间隙及壁面传热条件对燃气作用效应的影响,利用计算流体力学方法对不同条件下的燃气流动状态进行研究分析。结果表明:在弹体筒内运动阶段,弹筒间隙引射作用会对燃气流动状态产生较大影响,在弹体底部附近,忽略弹筒间隙时的燃气压强较考虑弹筒间隙时的压强小10%左右;对于等温壁面条件下燃气流动的压强较绝热壁面条件和耦合传热壁面条件的计算结果低5%左右。

灭弧装置内爆炸冲击波的数值模拟及其应用研究

基于疏导型防雷理念的新型喷射气流灭弧防雷间隙装置能快速响应雷电流,爆炸产生高速高压气流冲击波并作用于暂态发展阶段的工频续流致电弧熄灭。灭弧装置包括灭弧三硝基甲苯(Trinitrotoluene,TNT)炸药、环形接闪电极以及半封闭圆柱形灭弧室,为此,利用ANSYS AUTODYN有限元分析软件,建立装有TNT炸药的灭弧装置半封闭爆炸冲击波数学模型,旨在研究灭弧爆炸冲击波在半封闭灭弧室内的衰减传播规律,并根据爆炸冲击波的传播特点分析空气间隙工频续流电弧在TNT爆炸冲击波作用下的可能最先切断点分布以及其对间隙电弧重燃的抑制作用。