SF6电弧等离子体输运特性数值分析

为定量描述SF6断路器在大电流开断过程中所产生电弧等离子体参数的动态变化,采用Eindhoven微观电弧模型,得到不同条件下电弧特性参数——电导率和热导率的分布;定量描述了温度、压力与粒子碰撞方式对输运特性的影响.基于热力学平衡模型以及Boltzmann方程数值求解与分析,找到电弧等离子体中输运特性的定量描述,为数值模拟SF6电弧等离子体参数变化分布以及能量逸散提供参数.     

耦合磁场直流空气断路器栅片特性对灭弧性能的影响研究

栅片材料与结构对断路器的灭弧性能有着重要的影响。该文建立了永磁体作用下灭弧室内磁场的计算模型与电弧磁流体动力学（MHD）模型,实现了两者的耦合。在此基础上,对永磁体作用下栅片材料与栅片结构对电弧动态特性的影响进行了仿真,同时考虑电源极性的影响,得出了永磁体作用下灭弧室内磁场的空间分布、电磁耦合作用下灭弧室内温度分布与气流分布,提取了灭弧室内平均温度与电弧燃弧时间等关键参数,讨论了栅片材料与栅片结构对电弧特性的影响。结果表明,外施磁场作用下铁栅片会造成灭弧室内磁短路现象。相同仿真条件下,含铁栅片的灭弧室燃弧时间最长;动触头作为阳极更有利于弧根跃迁,燃弧时间缩短;当分断电流相同时,铜-绝缘栅片对电弧的冷却效果最佳;栅片倾角可以改变气流场分布,从而影响燃弧时间。     

瞬态条件下电磁轨道发射装置绝缘体热损伤分析

电磁轨道发射装置绝缘体在瞬态发射条件下易出现热损伤而影响其支撑强度和绝缘性能。为分析电枢膛内运动以及炮口电弧回流两个阶段绝缘体的热损伤情况，该文建立了三维瞬态电-磁-热耦合模型以及考虑G10绝缘体细观结构的流-固-热耦合模型。结果显示：电枢膛内运动阶段，绝缘体最高温度始终出现在电枢起始位置附近，接近最高允许工作温度；炮口电弧回流阶段，回流电弧对绝缘体纱线的影响很小，仅口部1.3 mm范围内的纱线形成“倒角”状热损伤，但对绝缘体内表面电弧流经区域的树脂造成了大范围热分解，树脂的热分解损伤占主导地位，并得到了试验验证。导轨冷却系统设计可以避免绝缘体支撑强度下降，采用炮口消弧装置以及提高树脂的抗热侵蚀能力有助于避免绝缘失效。     

PTFE掺杂浓度对高温CO2气体物性参数的影响

由于SF6气体温室效应显著,CO_2气体作为目前具有潜力环保型SF6替代气体之一,以CO_2气体作为绝缘和灭弧介质的断路器已经得到应用。实际上,喷口材料烧蚀将导致PTFE蒸汽作为杂质影响电弧等离子体的物性参数从而影响断路器的开断性能。为了建立物理模型研究和优化断路器开断性能,必须首先确定电弧等离子体物性参数。因此文中研究了0.6 MPa下温度区间为300～30 000 K时的CO_2-PTFE电弧等离子体物性参数。首先基于最小Gibbs自由能法确定了电弧等弧等离子体粒子组分,其次利用标准热力学公式计算了电弧等离子体热力学参数,最后基于Chapman-Enskog理论计算了电弧等离子体输运系数(电导率、热导率和粘滞系数),讨论了PTFE浓度对物性参数的影响。结果表明:添加PTFE对电弧等离子体物性参数产生影响,其中,对粘滞系数,热导率和低温时电导率影响显著,少量的PTFE(少于25%)对电弧等离子体电导率影响很小。     

光纤复合架空地线雷电损伤模式及影响因素的实验及仿真研究

光纤复合架空地线(optical fiber overhead ground wires,OPGWs)雷电损伤的测试评估是确保电力系统安全运行的关键因素。建立了包含机械拉紧机构的雷击测试系统,研究OPGW在引发雷电流B分量与连续电流C分量组成的两重连续时序雷电流作用下的雷电损伤特性及其影响因素。基于OPGW雷击损伤形态观察及损伤产生机制分析,对OPGW雷击损伤模式开展定量研究。在此基础上探讨电极材料、转移电荷量及负荷拉力对OPGW雷电损伤的影响规律。实验研究发现,OPGW雷电损伤模式包括电弧扫掠损伤、熔融损伤及熔蚀损伤。钨铜电极的雷电能量注入最为集中,OPGW雷电损伤最严重;铜电极下损伤程度最轻。随着雷电转移电荷量及外施拉力的增加,OPGW断股数量与雷击损伤参数不断增加。建立的结合电弧磁流体动力学模型与OPGW有限元模型的OPGW雷电损伤仿真分析模型能够很好地模拟OPGW试样的雷电熔融损伤:以钢熔点1500℃作为熔融损伤的温度判据,仿真与实验结果间的偏差≤8%。     

考虑Ag触头蒸发烧蚀条件下的航天继电器分断电弧特性的研究

建立了考虑Ag触头材料烧蚀作用的航天继电器分断电弧的磁流体动力学模型.研究了Ag触头蒸汽和氮气均匀混合且各向同性条件下,静态电弧温度场、电弧电压等特性和Ag蒸汽比例之间的关系.分析了Ag蒸汽通过改变电弧等离子体电导率和热导率从而影响电弧特性的机理.同时,研究了Ag蒸汽在电弧中扩散作用时分断过程中动态电弧温度场、Ag浓度分布及触头烧蚀过程等,给出了分断电流的大小对Ag蒸汽质量浓度及触头单次分断烧蚀量的影响规律.最终,通过拍摄Ag原子发射光强,定性证明了电弧中Ag蒸汽浓度仿真结果的正确性.     

纵磁下真空电弧阳极热过程的仿真

建立了纵磁下真空电弧阳极热过程的二维瞬态轴对称模型,并对极限开断条件下不同能流密度作用下纯铜电极的阳极热过程进行了仿真分析.通过仿真获得了阳极温度沿径向、轴向的变化过程.仿真结果表明,随着能流密度的增大,阳极温度逐渐增大,但由于温升导致蒸发作用增强,温度的增幅减弱;阳极温度最大值并没有出现在能流密度峰值时刻,而是有所滞...     

考虑器壁侵蚀影响的空气电弧特性仿真研究

考虑电弧的物理参数、电磁及热和辐射现象,应用商用计算流体力学软件Phoen ics对其进行二次开发,建立了低压断路器中空气电弧等离子体的三维磁流体动力学(MHD)数学模型。分析了电弧初始位置对于电弧运动的影响。基于PA6-6产气材料和电弧相互作用的实验数据及混合电弧的传输及热动参数,研究了产气材料对于电弧特性的影响。结果表明,产气材料的存在使得电弧直径收缩,电弧电压升高。     

带载工况下降弓电弧磁流体建模分析

带负载降弓会造成大电流电弧严重烧蚀弓网系统材料,甚至导致接触线断裂等事故。为了分析降弓电弧动态特性,建立了降弓电弧二维轴对称磁流体动力学模型。采用固定电导率以及LTE-diffusion近似方法处理阴极鞘层和阳极鞘层,使用动网格方法模拟降弓过程,研究了降弓速度、电弧电流对电弧特性的影响。研究结果表明:降弓过程中接触线底部和受电弓滑板顶部存在高气压区域,降弓电弧最高气压约为800 Pa;加快降弓速度可以加速降弓电弧的熄灭,减轻降弓对弓网材料的烧蚀;降弓速度对于降弓电弧电压的变化起主导作用。研究结果为进一步研究降弓电弧侵蚀接触线的热过程以及降弓电弧烧蚀防护奠定了基础。     

真空开关电弧对阳极加热作用的仿真研究

真空开关电弧对阳极的加热过程是影响真空开关开断能力的关键物理进程之一。为此建立了阳极热过程模型,综合考虑焦耳加热、热传导和空间热辐射等作用,加载前期真空电弧仿真所得的阳极表面热流密度边界条件,采用显热容法处理相变潜热,对真空开关开断电流过程中阳极加热过程及弧后冷却过程展开研究,分析了阳极温度、熔融区尺寸、表面蒸气压和蒸汽流量密度等的变化情况。研究结果表明:1)阳极最高温度出现时刻滞后于电流峰值时刻2~3 ms。2)典型燃弧参数条件下,t=8 ms时阳极温度最高,熔融区尺寸最大;弧后阳极温度初始下降速度快,在t=12 ms后熔融区消失。3)随着电弧电流峰值增大,阳极中心点温度升高,熔融区存在时间延长,弧后短暂时间内阳极表面蒸气压和蒸气流量密度很高,将影响间隙介质恢复过程。     

铜蒸气对CO_2电弧等离子体物性参数的影响

CO_2气体因其全球变暖潜能值低和低温导热性好等优点而逐渐作为一种SF6替代气体应用于断路器中以充当灭弧介质,触头烧蚀产生的铜蒸气会改变电弧基本特性,影响断路器开断性能。为此,利用最小Gibbs自由能法和Chapman-Enskog理论计算了气压为0.5 MPa、热力学温度区间为2 000~30 000 K时的CO_2-Cu混合气体电弧等离子体的物性参数,分析了铜蒸气质量分数对电弧等离子体粒子组分、热力学参数以及输运系数的作用规律。研究结果表明:触头烧蚀引入的铜蒸气会比电弧中的其他非金属粒子更早电离,即使是少量的铜蒸气(质量分数为5%)也会使低温时电弧等离子体的电子数密度增大,进而显著提高电弧等离子体在低温区(热力学温度低于8 000 K)的电导率,最大约提升1个数量级;增大铜蒸气质量分数会在整个热力学温度区间增大电弧等离子体质量密度并减小比定压热容、黏滞系数以及热导率,但对于比焓则在低温区和高温区呈现出相反的作用规律;少量的铜蒸气(质量分数为5%)对热力学参数和除电导率之外的输运系数的改变极其微小,但是大量铜蒸气(质量分数高于25%)会明显改变各个物性参数。这些电弧等离子体物性参数的计算结果对于探究铜蒸气对电弧基本物理性质的影响具有参考价值,并可以为建立考虑触头烧蚀下的电弧磁流体(MHD)模型提供输入参数。     

基于磁谐振测量海水电导率的模型分析

针对咸潮在线监测问题,提出了一种基于磁耦合谐振技术的海水电导率测量模型,从不同角度分析了海水涡流对磁耦合谐振系统的影响,并且推导出适用于海水电导率测量的回路补偿公式。该模型通过搭建水下磁耦合电导率测量系统进行实验研究,从频率、负载、补偿方式3个角度比较了海水电导率变化对系统的影响及电导率测量效果。实验结果表明,采用磁耦合谐振技术进行海水低电导率测量是可行的。针对实验结果,提出了进一步提高测量的精确度、稳定性的优化方向和系统参数选择原则。     

强暴雨条件下110 kV硅橡胶绝缘子雷电冲击电弧发展过程与闪络特性

强暴雨常伴随雷电天气会导致输电线路、变电站和换流站绝缘子表面干、湿部位电场分布不均，易引发电场畸变，同时雷暴引起的雨柱会快速短接绝缘子伞间距，显著缩短电弧发展路径，致使线路跳闸并引起停电事故。为研究强暴雨条件下线路绝缘子雷电冲击放电特性和电弧发展过程，针对3种110 kV线路常用硅橡胶复合绝缘子开展了雷电冲击放电特性测试。结果表明：复合绝缘子雷电冲击电弧发展过程主要分为起弧、局部电弧发展、完全闪络，其放电发展时间及其持续时间均随降雨强度、雨水电导率的增大而降低；电弧平均发展速度随雨水电导率的增加呈幂指数关系上升，最大上升率高达43.8%，并随降雨强度增加呈指数式增大，且与绝缘子伞裙结构参数有关。复合绝缘子雷电冲击闪络电压随降雨强度增加呈负幂指数关系降低，伞间距较大的绝缘子闪络电压受降雨强度的影响愈加明显；雨闪电压随雨水电导率的增加而呈负幂指数下降。基于此，提出了降雨强度、雨水电导率综合影响的复合绝缘子雷电冲击闪络电压计算式，计算结果与试验结果一致性良好，偏差小于7%。研究结果为雷电活动频繁的强暴雨地区输电线路外绝缘设计、选择及防护提供了参考。     

纵向磁场对真空电弧微观特性影响的研究

纵向磁场作用下真空电弧等离子体的微观参数变化趋势对于真空电弧的发展和能量变化有着重要的意义。文中基于气体动力学的漂移扩散方程,耦合电场计算的泊松方程,仿真分析了真空电弧在液态金属桥断裂之后,极间充满了大量的Cu金属蒸气后,到电弧等离子形成的这段非平衡态过程。考虑了真空电弧等离子体中微观电子、离子与金属蒸气分子间的碰撞、重组及粒子的漂移、扩散等复杂变化情况,建立了纵向磁场影响下非平衡态真空电弧的微观模型。数值模拟并分析了不同磁场强度对电弧等离子区微观参数的影响及变化规律。仿真结果表明:随着纵向磁场的增大,阴极与阳极鞘层的电场强度减小,有利于电弧熄灭;同时电极过程减弱,电子和铜离子的数密度均减小,阳极表面的电子温度分布均匀且减小,有利于抑制真空电弧能量的提高。     

水平多层土壤对雷电定量精度的影响

基于电偶极子在水平多层土壤上方的频域辐射磁场计算公式,得出了任意水平多层土壤上方雷电流辐射磁场的时域计算公式。以水平两层土壤为例,考虑上层土壤的不同厚度和上、下层土壤电导率的变化,从时域和频域两方面分析了水平分层土壤模型对雷电辐射场的影响。结果表明,在上层土壤电导率大于下层土壤电导率的情况下,上升时间内的雷电辐射磁场强度均小于同时刻土壤参数全部为上层土壤时的结果,并且大于土壤参数全部为下层土壤时的结果;当上层土壤电导率小于下层土壤电导率时,上层土壤厚度较小时其结果接近全部为下层土壤时的相应结果;但是随着上层土壤厚度的增加,雷电辐射磁场最大值将大于全部为上层土壤或全部为下层土壤时的计算结果,且随着上层土壤厚度的增加而最终接近全部为上层土壤时的计算结果。最后对雨季这一典型气候条件下的雷电辐射场做了特别分析,由于降雨的影响,地表土壤电导率增加,使得测点的雷电辐射磁场上升时间减小,但是相应峰值所受影响较小。因此在实际的雷电监测中,由雷电辐射磁场强度反演雷电流峰值时可以不考虑降雨造成的土壤电导率变化。     

基于链式的爆炸气流场耦合电弧动态模型

为研究大电场条件下有效熄灭电弧的优良方法,在开放空间下,考虑爆炸产生的冲击波及强烈气流耦合电磁场等因素的影响,基于电弧链式思想和经典激波理论分析电弧在爆炸气流影响下的受力情况,推导出电弧运动速度控制方程。在此基础上,结合能量平衡方程及热交换原理,建立耦合场的电弧模型。通过有限差分法求解模型,分析气流耦合电磁场下电弧熄灭的运动过程和物理特性变化,并得出电弧状态相关参数(温度、电导率等)和熄灭时间的特性。试验结果表明电弧熄灭效果具有工程应用价值。     

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。     

碳纤维复合材料在雷电流作用下的损伤仿真与试验

广泛应用于飞机制造业的碳纤维复合材料(CFRP)导电性较差,其遭受雷击时很难迅速将雷电流泄放出去,雷电流在材料内产生的电阻热会对材料产生严重的热烧蚀损伤,因此通过仿真和试验手段对碳纤维复合材料雷击损伤机理进行了研究。通过建立航空用碳纤维复合材料雷击损伤的3维有限元模型,采用温度场分布来表征材料的损伤面积和损伤深度,并通过有限元软件ABAQUS对型号为IM600/133的碳纤维复合材料开展了雷击损伤数值模拟研究。仿真结果表明:雷击过程中,复合材料表面的温度和沿雷击位置法向的损伤深度在雷击初始阶段迅速增加;当雷电流幅值达到最大后,温升和损伤深度增加速率逐渐变缓,复合材料表层的温升变化规律和所施加的雷电流变化规律基本一致。铺层结构表面的雷电流主要沿着复合材料板表层电导率最大的方向传导,雷电流在材料中产生的热流也主要沿着表层传导,使得复合材料板的电热损伤主要分布在表层;编织结构的雷击损伤区域近似呈圆形分布,圆心为雷电流附着点。通过对比仿真和试验,两者有较好的一致性,证实了所建有限元模型的合理性。     

电弧参数对激光触发真空开关重频开断特性的影响

激光触发真空开关(LTVS)的电弧特性受外电路参数和触发材料的综合作用,影响其开断性能。该文基于可拆卸真空腔体搭建实验电路,改变电流频率、工作电压、电流峰值、电极结构及触发材料种类等因素,对比相应条件下LTVS的完全开断时间差异,分析不同电弧参数对LTVS重频开断特性的影响,讨论LTVS开断过程中真空电弧与触发材料的作用关系。实验结果表明,LTVS的完全开断时间随电流峰值和工作电压的上升而增长,随电流频率的增加而缩短;纵磁电极对LTVS开断能力的提升效果随电流频率变化;LTVS的开断特性受触发材料种类影响明显,NaCl、KCl、TiH2和Ti+KCl几种材料中,热传导能力最佳的Ti+KCl开断特性最差,开断频率1.4kHz,峰值2.6kA的电流所需时间约为7ms。研究结果可为LTVS产品设计提供参考。     

基于雷电上行先导起始物理机制的风机叶片雷击概率评估模型

风机叶片雷击损伤事故严重威胁风电场正常运行,传统分析方法无法给出叶片表面任意点雷击概率,现有叶片防雷系统设计尚无成熟理论作为指导。该文基于上行先导起始物理机制,提出了风机叶片表面任意位置雷击概率计算方法,建立了风机叶片雷击概率评估模型。考虑不同叶片姿态、下行先导侧面距离、接闪器布置方式等因素,分析了1.5MW典型风机在不同工况下雷击概率分布,并与试验结果相对照,验证了模型的有效性。结果表明:接闪器保护范围随叶片角度变化而变化,呈现不对称的特点,雷电下行先导侧面距离对接闪器保护范围的影响具有方向性,叶尖接闪器的防护效果优于叶身接闪器。该评估模型可为叶片防雷系统优化设计提供理论分析工具。