高功率气体开关长寿命设计和初步实验

针对初期设计的尼龙外壳同轴三电极开关完成了寿命实验,三只开关样品的寿命分别为20.4万次、43.3万次和15.1万次。根据寿命实验结果同时对开关结构和外壳材料进行了改进,初步实验结果表明,改进后的5只气体开关样品除陶瓷外壳开关提前损坏以外,其余3只有机玻璃外壳开关均已完成30万次寿命实验,并且其自击穿电压各自保持了较好的稳定性,标准偏差未明显变大。补充开展的触发实验结果表明,3只有机玻璃外壳开关触发性能基本稳定。根据自击穿电压的变化情况以及30万次寿命实验后开关的触发延时和抖动等参数,预期改进设计开关的寿命将会超过原初设计开关。

大气压下氮气火花开关击穿过程的数值仿真

为研究大气压下氮气火花开关的纳秒脉冲击穿过程,采用粒子模拟方法对间隙放电过程进行模拟,获得流注形成发展过程的瞬态物理图像,并对比分析了脉冲前沿对间隙放电过程的影响。模拟结果表明:氮气火花开关的纳秒脉冲击穿过程主要包括两个阶段:流注形成阶段和流注快速发展阶段;流注快速传播阶段流注头部会产生逃逸电子,且光电离反应会导致流注通道形成分叉;流注快速传播阶段的放电通道平均传播速度高于流注形成阶段;脉冲前沿越大,流注传播速度越小,流注形成的临界电压越低,流注贯穿间隙的时延越长,与实验结果一致。

高重频火花放电增强激光诱导击穿光谱(LIBS)结合机器学习对铝合金中镁元素的定量分析

铝合金中的镁元素会影响铝合金的性能,因此亟需一种快速、高准确度定量分析铝合金中镁元素含量的方法。采用基于微芯片激光器的高重频火花放电辅助激光诱导击穿光谱技术(HRR SD-LIBS)对铝合金中镁元素进行定量分析。采用移动中位数法对采集的光谱数据进行基线校正以获取净光谱数据,分别建立单变量定标模型和反向传播神经网络(BP)、支持向量机(SVM)和随机森林(RF)等多变量定标模型。结果表明,HRR SD-LIBS技术结合机器学习算法可建立更稳健的多变量定标模型。与常规单变量定标法相比,BP、SVM和RF模型的预测集相关系数(R_(P)^(2))从0.810升高到0.985、0.997和0.994,均方根误差(RMSEP)从0.283下降到0.059 8、0.041 0和0.054 2,平均相对误差从26.62%下降到3.13%、2.82%和3.61%。因此采用基于机器学习的多变量定标法能够显著提升LIBS定量分析准确度。基于小型化的微芯片激光器的HRR SD-LIBS技术结合机器学习算法能够实现对合金样品和其他材料的便携、快速、准确的定量元素分析。

电线电缆火花试验机及其应用

本文通过对电线电缆火花试验机的工作原理、分类及特点的介绍,阐述了不同类型电缆选用合适火花试验机的基本要求;同时,针对火花试验机使用中易出现的问题,列举相应的应对措施,为操作人员使用在线火花试验机提供了帮助,为电线电缆产品生产过程质量控制提供了有力支持。

土壤电离动态过程对接地装置冲击散流的影响分析

准确地分析接地装置的冲击散流规律是接地优化设计和提高输电线路防雷性能的基础。为考虑雷电流经过接地装置散流时,由于土壤电离动态过程的存在,接地装置周围土壤在散流过程中呈现的非线性特性,及其对接地装置冲击散流规律的影响,通过模拟试验和仿真计算对这一过程及其影响进行了研究。提出了考虑土壤电离动态过程非线性的计算模型,并基于模拟试验和数值计算分析了不同结构接地装置泄放冲击电流时的散流规律,结合火花放电理论探讨了接地导体之间的屏蔽作用和土壤电离的物理过程及其对接地装置冲击特性的影响。结果表明土壤动态电离现象在冲击散流过程的影响不可忽视。

改善冲击散流时地中电场分布的接地降阻试验

已有的冲击接地试验研究表明,冲击电流入地后地中电场分布决定了接地装置的散流性能。从改善冲击散流时地中电场分布的角度进行冲击接地模拟试验研究,可提高接地装置冲击散流效率,降低接地装置冲击接地阻抗,为高土壤电阻率地区的防雷降阻措施提供新的解决思路。因此基于相似准则,对单根水平接地体和星型水平接地体在两种土壤电阻率下的冲击散流规律进行了模拟试验,并根据试验结果利用针刺状导体改善了接地体冲击散流时的地中电场分布。改善后的冲击接地试验结果表明,基于冲击散流时地中电场分布的接地装置改善措施,能够起到较明显降低冲击接地阻抗的效果,且冲击降阻的效果受冲击电流幅值和接地体结构布置的影响。

接地装置冲击特性研究分析

为研究接地装置的雷电冲击特性,以火花效应和电感效应的研究为主线探讨了土壤的放电特性、接地装置的高频响应及土壤电气参数的变化规律;比较了电路理论、电磁场理论以及动态建模等3种暂态建模方法;评析了目前接地装置冲击试验的进展。通过归纳与分析,指出了这一研究领域中迫切需要解决的技术问题及初步解决方法:利用X射线胶片或高速成像仪器采集土壤放电图像以研究土壤的放电形式及放电区域的尺寸;确定土壤的临界击穿场强及残余电阻率,并用于暂态建模中;区分火花效应与土壤电气参数频变性以及火花效应与电感效应的影响范围;建议分别采用分布参数电路模型、集中参数电路模型、电磁场模型分析伸长接地体、复杂接地装置及接地装置的频域特征;采用高电压、大容量冲击电流试验系统研究高幅值、波前时间短的冲击电流作用下接地装置的冲击特性,并用于指导冲击接地电阻的现场实测。

多针电极结构双极电晕放电伏安特性

为提高电晕放电的能量密度和放电稳定性,提出了针阵列电极结构的双极电晕放电方式并研究了多针电极结构双极电晕放电的伏安特性。实验得出放电电流I随针尖半径a和电极间距d的增大而减小,随相邻针尖间距s的增大而增大,但当s≥40 mm时,相邻针尖的相互作用已很小,I几乎不变;d对火花击穿电压的影响较大,a对其的影响较小。由于电极结构的对称性,高压电极的极性对放电无明显的影响,正负电晕放电的伏安曲线和火花击穿电压均较为接近。将多针电极双极电晕放电电流I等效成电极间距为d/2的多针对板正、负电晕放电电流I1和I2相加,分析了I>I1+I2的原因,并推知其电离区内电子密度也有相应规律。

用激光点火辅助火花诱导击穿光谱技术实现铝合金的高灵敏元素分析

报道了采用激光点火辅助火花诱导击穿光谱技术分析铝合金中痕量元素时的分析行为。用低能量激光脉冲聚焦于样品表面并在放电电极之间产生等离子体来触发高压火花放电以改善火花诱导击穿光谱技术的分析行为。在当前空间几何配置下,研究得到了最佳的放电电压和储能电容等参数并在最佳实验条件下分析了样品中的铜元素,其检出限达到0.7ppm。激光点火的辅助手段改善了火花诱导击穿光谱技术在元素分析时信号的稳定性、提高了分析精度。同时它还能够有效地降低放电电压,改善其空间分辨本领。研究表明激光点火辅助火花诱导击穿光谱技术具有灵敏度高、稳定性好以及具有较好的空间分辨本领的特点,非常适合于各种合金中的痕量元素分析。

阳极氧化铝膜在有机电解质中的击穿机理和影响因素

简述了高纯铝在有机电解质中形成的氧化铝膜的击穿和电解液闪火的过程,分析了氧化铝膜击穿和电解液闪火的机理。实验结果证明:氧化铝膜的缺陷和缺陷处微孔中高压氧的析出是氧化铝膜击穿和电解液闪火的前驱点;形成槽周围气体的压力对阳极上氧气的析出有很大影响,导致氧化铝膜的击穿电压和电解液的闪火电压发生变化。在压力为0.01MPa时,阳极氧化铝膜的击穿电压只有435V;在压力为0.10MPa时,氧化铝膜的击穿电压为460V;在压力为0.20MPa时,氧化铝膜的击穿电压大于500V。

Zr-Nb合金的微弧阳极氧化表面改性

利用微弧氧化技术,以NaOH为电解液,对Zr-Nb合金进行表面处理,以改善其抗溶液腐蚀性能。利用SEM观察到Zr-Nb合金微弧氧化膜厚约8μm,膜层为一连续整体,厚度均匀,与基体结合牢固。X射线衍射分析表明,微弧氧化膜主要由四方和单斜相的二氧化锆组成。通过电化学极化曲线测量,对Zr-Nb合金微弧氧化膜的抗腐蚀性能进行了评价,结果表明,氧化膜抗腐蚀性能比基体提高显著。

短间隙的击穿及其短路放电特性研究

为研究IEC安全火花试验装置短路放电的击穿放电机制,针对室温1atm下不同浓度的甲烷空气混合气体,对几百微米~几毫米范围内的击穿实验进行了设计。分析表明对于不同浓度甲烷空气混合气体,击穿电压与电极间距的关系曲线均呈现马鞍形;室温1atm下8.5%甲烷空气混合气体在几百微米~几毫米间隙范围内的最低击穿电压表明试验装置的电容短路放电过程在巴申定律的适用范围之外且其临界击穿间距在几百微米以下。可见,该放电过程中间隙内的碰撞电离效应并不突出,阴极电子发射是其击穿放电的主导机制,该放电过程类似真空放电,通过安全火花试验装置得出不同介质环境的电容电路短路放电波形对此进行了验证。

空气中火花放电三维路径的特征研究

介绍一种记录火花放电三维路径图像和图像处理的实验方法并运用该法记录了不同长度气隙棒—平板电极之间的三维放电路径。分析了三维火花放电路径的统计特征 。

陡化前沿Marx发生器的设计与初步实验

设计了10级同轴结构的陡化前沿Marx发生器，实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。该系统采用3nF低电感电容器作为储能电容，采用固体电阻作为充电电阻，通过各级短间隙气体火花开关迅速放电及级间紫外光耦合在50Ω负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。在考虑开关电极分散电容、等效传输线效应及回路电感等因素基础上，利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型，并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。根据数值模拟结果设计加工了10级陡化前沿的Marx发生器实验装置。在较低充电电压下（7kV与11kV），得到了初步实验结果，输出电压波形大致为方波，相对于传统Marx发生器输出前沿缓慢的三角波有较大改善，半高宽为40～50HS，前沿时间为十几ns，幅值约为41kV和57．5kV，实验结果与模拟结果基本一致。

火花老炼对真空灭弧室绝缘强度的影响

对真空灭弧室在火花老炼处理前后的绝缘强度变化进行了实验研究，从老炼过程中放电与电极表面的相互作用出发，探讨了大花老炼对提高灭弧室耐压水平的作用机理，分析了影响火花老炼作用效果的诸因素的作用，着重讨论了放电能量对稳定击穿电压的影响，指出放电能量不足是引起冲击火花老炼失效的主要原因。文中还对火花老炼引起的电极材料的二次冶金效应进行了分析。

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台，运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关，对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究，结果表明：重复频率小于50Hz时，火花隙开关击穿电压不稳定度（RMS）小于5％，不需要吹气；在给定吹气速度下，火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率；火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度，且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系，并可由实验确定；在优化吹气速度条件下，当气压处于0．7～1．5MPa范围时，该火花隙开关击穿电压不稳定度（RMS）小于3％；在2．0MPa的压强范围内，该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300Hz，击穿电压400kV。

激光等离子体闪光高速摄影法实验研究

通过对激光等离子体进行诊断,可以获取激光等离子体重要的参数和演变规律。使用高速CCD对激光等离子体闪光进行拍摄,研究了不同激光能量下激光诱导空气击穿产生的等离子体的形状、大小、颜色以及激光等离子的发展变化特性。实验表明:等离子体在空间上呈发光液滴状,且逆着激光束的方向膨胀。随着激光能量的增大,等离子体在水平方向和竖直方向的尺寸逐渐增大,增大趋势逐步变小。

石墨电极空气间隙的自击穿统计特性分析

在惯性约束聚变能源系统这类采用多支路并联结构的同步供电装置中,气体开关的放电分散性也即随机性可能带来严重的工作可靠性和稳定性难题。石墨电极具有较好的耐烧蚀能力,但石墨电极气体开关的自击穿概率必须控制在极低的范围才能使其满足严酷的工况要求。通过模拟工况的直流静态耐压实验,分析比较了各种石墨型材空气间隙的自击穿特性,结果表明平均粒径较小的纯石墨材料制作的空气间隙具有更狭窄的自击穿电压统计分布。彼得森(Pedersen)准则可以解释此现象,同时从数学上证明了自击穿故障发生的概率服从威布尔(Weibull)分布。合理地设计工作场强对静态耐压平均值的占比(即欠压比),可以较好地将单个气体开关及整个并联供电系统的误导通概率控制在设定值之下。所得结论对石墨型气体开关在大型并联脉冲供电装置中的研制和使用具有参考意义。

触发管型气体开关导通时延的分析及估算

触发管型三电极气体开关导通时延的分析估算对于开关工程设计具有重要意义。结合近年来国内外对触发管型气体开关放电物理机制的研究进展,利用电子崩–流注理论分析解释了触发管气体开关主间隙的击穿过程,由Raether击穿判据推导了以空气为绝缘介质的触发管型气体开关导通时延的数值计算模型,并制作了一个触发管型气体开关及其触发装置进行验证性实验。仿真和实验结果的比较表明:Raether判据可用于判定快、慢导通机制的发生;高欠压比和低欠压比下,计算模型能够正确地反映出触发管型气体开关的导通时延特性,而且符合理论研究中的慢触发和快触发机制特点;触发间隙的击穿在中等欠压比值下,对促进主间隙流注的形成有作用,导致实测导通时延减小。分析计算模型可作为触发管型气体开关设计的参考依据。

基于可饱和脉冲变压器谐振充电的快脉冲功率源研究

基于可饱和脉冲变压器建立1种新型谐振充电装置,将脉冲变压器提升电压作用与磁开关陡化脉冲作用相结合大幅度提高输出电压的前沿。通过分析新型谐振充电装置的工作模式,确定面向快丝阵Z箍缩早期行为研究需求的谐振充电装置的参数。新型谐振充电装置驱动气体火花开关自击穿时延抖动比采用传统谐振充电装置降低50%以上。初始充电电压19kV、电极间距5.5mm、1.01325×10^(5)Pa气压下自击穿时延抖动降低至13ns。在高气压下气体火花开关的击穿电压稳定性也有大幅度的提高。利用新型谐振充电装置改进应用气体火花开关陡化脉冲变压器输出电压前沿的脉冲功率源的技术方案,建立的小型脉冲功率源可以极低的时延抖动和较高的击穿电压稳定性输出快Z箍缩预脉冲水平的脉冲电流。低时延抖动的脉冲功率源有助于对金属丝电爆炸等丝阵Z箍缩早期行为开展精确的高时空分辨率的同步诊断。