雷电流A分量与C分量对碳纤维复合材料损伤特性差异

碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料应用广泛,但与金属及合金相比电导率较低,遭遇雷击时易发生损毁。该文通过雷击损伤形貌观察、C扫描探伤、压缩强度测试及电-热耦合仿真等方式,对比了雷电流A分量和C分量单独作用下CFRP层合板的散流特性及损伤特性。研究发现,在A分量作用下CFRP层合板表面铺层产生长约120mm、宽约30mm,与铺层方向一致呈45°的纤维炸裂带;在C分量作用下CFRP层合板产生直径约60mm的圆形烧蚀坑。与未损伤件相比,A分量作用后层合板弹性模量基本不变,C分量作用后层合板弹性模量减小,两种电流分量作用后层合板最大压缩强度均略微增大。电-热耦合计算结果表明,A分量作用过程中CFRP层合板损伤分布具有明显的方向性,各层损伤方向与铺层方向一致;C分量作用过程中CFRP层合板各层损伤分布一致,但与铺层方向无关。CFRP在两种分量作用下计算损伤分布与试验损伤形貌结果基本吻合。该文揭示了具有显著特征的两种分量雷电流对CFRP层合板的损伤机理,为CFRP层合板的雷电防护提供依据。     

碳纤维复合材料雷电损伤试验研究

选取不同防护措施的飞机机身复合材料蒙皮的试验件,采用标准组合雷电流A+B+C*分量对试验件进行雷电流注入试验,试验后采用超声扫描得到试验件的损伤面积及损伤深度,对比火焰喷涂铝防护方式和编织铜网防护方式试验件的雷电流防护能力,并分析了复合材料层合板表面电阻对其雷电损伤的影响。试验结果表明:火焰喷涂铝防护比铜网防护的碳纤维复合材料层合板有更好的雷电防护能力,碳纤维复合材料层合板表面电阻大小与雷电损伤面积存在正相关性。     

雷电直接效应测试的雷电流C分量测试系统

针对目前碳纤维增强型复合材料(CFRP)雷电直接效应研究中存在的雷电多分量高精度时序控制及连续共同作用的相关测试及控制技术难题,采用大功率整流滤波回路设计了雷电流C分量发生回路,并研究了平波电抗器及负载对C波输出波形的上升时间、纹波系数等参数的影响。研究发现:随着平波电抗器的升高,雷电流C分量的上升时间增加,纹波系数降低。为保证雷电流C分量发生器的安全正常运行,设计并研究了由电感和非线性压敏元件组成的雷电流C分量的耦合/去耦网络(CDN),探索了不同特性的脉冲电流波注入对C分量发生器工作特性的影响规律。实验结果表明:在选用170 m H的平波电抗器情况下,雷电流C分量发生回路的最大输出电压及电流分别为500 V及1 000 A。设计的耦合/去耦网络能够有效阻止雷电流A波、B波及D波对C波发生器中的分流和影响、破坏作用。研究发现,只有在脉冲电流波具备一定能量和持续时间前提下,才能有效引发雷电流C分量的后续注入。研究结果对航空航天器先进复合材料的研究、航天器结构件的设计提供了测试和评估手段。     

雷击时金属油罐的损伤与温升特性

雷击时金属油罐的损伤和温升特性是油罐防雷保护研究的关键基础之一。为此,采用模拟雷电流试验方法研究了金属油罐常用材料钢Q235B和铝3003的雷击损伤与温升特性,分析了不同雷电流分量、电流幅值、转移电荷量和作用积分对金属损伤和温升特性的影响。结果表明:不同雷电流分量冲击下金属的损伤特征差异明显;金属损伤面积主要取决于雷电流幅值,损伤深度主要取决于转移电荷量,雷电流的作用积分与雷击损伤的相关性较小;雷击造成的金属温升与转移电荷量近似成线性关系,回击后长持续时间雷电流分量造成的温升最高,幅值400 A的长持续时间雷电流分量作用下,厚度5 mm的钢Q235B金属板背面温升可达330℃,铝3003金属板的背面温升可达500℃,接近油气自燃点;相同转移电荷量的首次短时间回击电流和回击间长持续时间雷电流分量造成的温升相接近,后续短持续时间回击电流分量造成的温升可忽略。     

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%。     

可记录多重雷击的雷电流波形在线监测装置研制

线路遭受多重雷击可能导致变电站内断路器损坏。多重雷击雷电流波形测量与监测对深入研究雷电活动和改进防雷技术有重要意义。因此提出了一种可实现连续5次以上多重雷击电流波形记录的雷电流在线监测系统。该系统根据多重雷击单次回击电流时间短、两次回击间隔时间长的特点,高速采样回击电流,低速采集中间电流并等待下次回击电流,实现连续波形记录。选用了最大传输延迟时间仅为3.5ns的可编程逻辑器件触发监测装置,保证雷击后0.5μs内启动监测装置采样;利用高低速采样结合的方式,一次可采集756ms时长的雷电流波形。制作的成套监测系统在实验室得到验证并应用于输电线路等易受雷击地区,给出了一组于2010年8月20日在深圳市采集到的实际雷电流波形。     

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。     

碳纤维复合材料雷电注入试验研究

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)因为其优异的结构性能而被广泛应用于航空领域。但CFRP材料的电导率显著低于传统金属材料,更易在雷电冲击作用下受到损伤。因而,为满足飞机在雷电环境下的防护设计要求,需要开展试验来测试碳纤维复合材料的损伤特性。采用组合模拟雷电流分量A、B和C*,对复合材料试验件采用火焰喷涂铝和敷设铜网两种防护方式,然后对试验件进行雷电直接注入试验研究,试验后通过采用超声扫描得到试验件的损伤情况,并进行对比分析。试验结果表明采用火焰喷涂铝防护方式的复合材料层合板损伤面积均值为13 680 mm~2,小于采用敷设铜网防护方式的雷电损伤面积均值17 958 mm~2。两者损伤深度占总厚度比为2/5~3/5,试验件没有被击穿。     

不同雷电流分量作用下钢合金Q235B的损伤与温升特性

研究工业常用材料钢合金Q235B的雷击损伤和温升特性是油罐等防雷保护的关键基础之一。为此,采用模拟雷电流试验方法研究钢合金Q235B的雷击损伤与温升特性,通过高分辨扫描电子显微镜(SEM)、X射线能量色散分析(EDS)和显微硬度测量仪观测合金遭受雷击后的表面损伤形貌、剖面损伤组织特征、元素含量变化和显微硬度变化,建立雷电流金属温升模型,分析合金温升变化及其与合金微观损伤组织形貌的对应关系。结果表明:幅值为201.2kA的首次短时间回击电流分量作用下合金的损伤面积最大,可达3523.8mm2;转移电荷量为210.1C的末次回击后长持续时间雷电流造成合金的损伤深度最深,为3.0mm;后续短持续时间回击电流分量下合金的损伤深度和温升可忽略不计。电流幅值为404A的末次回击后长持续时间雷电流分量作用下合金剖面在不同温升激励下出现了以马氏体为主相的损伤区、以马氏体与铁素体为主相的过渡区、以铁素体与珠光体为主相的基体的分层结构,损伤区和过渡区的临界形成温度分别为990℃和900℃,损伤区、过渡区和基体的显微硬度分别为450、310和180。     

TT系统雷电流分布的研究

对雷电流、雷电防护系统、配电变压器等进行建模,利用EMTP研究了单相、三相TT系统遭受雷击时雷电流在系统中的分布。并且研究了雷击系统的不同位置、不同的雷电流波形、供电系统的线路阻抗对雷电流的分布影响。研究表明,接地电阻的改变对雷电流的分布影响较大。     

110 kV高压输电线路杆塔分流系数的研究

高压输电线路是电力系统的薄弱环节,为解决如何防止输电线路雷击闪络、避免雷击跳闸的难题,研究了关键参数雷电流分流系数及影响它的两个重要方面雷电流幅值和最大陡度。用EMTP软件和不同的雷电流模型仿真模拟,分析不同幅值和不同波头的雷电流对杆塔分流系数影响的结果表明,相同波形雷电流,幅值改变对杆塔分流系数影响较小,而雷电流陡度改变的影响较大。最后用金属磁带测量实验验证了仿真结果的正确性。     

框架—核心筒结构超高层建筑物雷击瞬态磁场分布特性仿真研究

为研究地闪特征条件下超高层建筑物雷击效应,按真实建筑物尺寸等比例构建典型框架—核心筒式建筑物模型,将实际探测雷电流特征注入大概率雷击附着点位置并开展电流传输和空间磁场分布仿真分析。研究总结了建筑物金属框架不同位置的雷击附着点特征、电流传输时域变化特征、不同空间位置的磁场定性及定量变化特征。仿真结果表明:模拟雷电流波形特征决定磁场强度在10～50μs逐渐达到峰值,随后至200μs逐渐减弱;从电流变化趋势发现竖直结构柱散流效果较水平位置更为明显;定性分析女儿墙及高层水平框架相比稍低层框架雷电流强度及磁场变化较为剧烈;定量分析相同高度空间磁场靠近外部框架位置相比内部场强更强,中间楼层核心筒内磁场强度符合计算机房布设要求。仿真结果为直击雷防护设计以及雷击电磁脉冲防护提供参考。     

雷电流作用下金属损伤试验的影响因素

当前国内外缺乏雷电流金属损伤试验影响因素的研究,因而采用试验与理论相结合的方法研究了雷电流金属损伤试验中电极形状、铜丝引线、试验距离对试验结果的影响。研究结果表明:模拟首次短时间回击电流分量、回击间长持续时间雷电流分量和末次回击后的长持续时间雷电流分量下的金属损伤试验中,增大引燃铜丝直径可加大金属损伤深度;增加试验距离会增大模拟雷电流流注发展区域半径,减小电弧单位面积能量,从而使试品损伤面积增大,损伤深度减小;使用尖电极、半椭球电极和半球电极产生的流注初始区域半径和发展区域半径依次减小,使用尖电极造成的试品损伤深度和损伤面积最大,其次为半椭球电极和半球电极;相同电极形状下,减小试验电极直径,试品损伤深度增加,损伤面积减小。     

雷电流波形参数检测视角下±800kV直流输电线路导线绕击分析

雷电流波形参数主要集中于雷电流上升沿,为分析雷击输电线路后各个行波通道暂态电流所含雷电流上升沿信息,从获取雷电流波形参数的视角,应用分布参数电路理论研究雷电绕击特高压输电线路的行波响应,分析在雷击闪络和未闪络情况下,注入导线的雷电流在诸电流通道中的电流行波波形.雷电绕击导线造成闪络的波过程可视为雷电流注入和闪络故障附加...     

雷击复合光纤架空地线(OPGW)数学模型的建立

针对OPGW受雷击断股的特点,建立符合要求的雷电流模型,利用电偶极子理论建立雷电流模型通道,采用镜像学方法分析雷电流模型回击电流。最后总结出雷击能量和雷电先导"中和"形成的电弧是造成OPGW断股的外因,单丝熔点偏低则是断股的内因。     

特高压交流输电线路雷电流监测

为了掌握特高压(UHV)线路雷击故障的类型以及击于线路的雷电流幅值和极性,进一步优化我国特高压架空输电线路防雷设计,采取了在特高压交流示范工程输电线路上广泛布置磁钢棒的雷击电流监测方法。即在每基塔的塔顶地线羊角处安装引雷针,并在引雷针和杆塔两侧地线上分别布置6个测点,每个测点采用磁钢棒来记录雷击电流,并通过与雷电定位系统相结合提高雷击故障杆塔的定位效率。试验测试和理论分析表明,通过在6个测点安装新研制的具有涡流损耗更小、灵敏度更高、稳定性和线性度更好等优点的新型磁钢棒获取雷电流幅值和方向,可直接判别出线路雷击故障类型;另外,通过与仿真计算相结合,可推算出线路绕击雷电流的幅值以及雷击塔顶和档距中央避雷线的雷电流幅值,从而可以更高效、准确地判别出特高压线路雷击故障的类型以及击于线路的雷电流幅值和极性。     

3003铝合金在雷电直击情况下的损伤特性和损伤机理

雷击铝合金的损伤特性和损伤机理是油罐等防雷保护研究的基础之一。为此,基于模拟雷电流试验方法研究了不同雷电流分量作用下储油常用铝合金材料铝3003的损伤特性和损伤机理,通过采用高分辨扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散分析(EDS)对雷击3003铝合金的损伤形貌、组织形貌、损伤前后元素原子质量分数变化进行了观察和分析,结合不同雷电流分量的特性讨论了不同雷电流分量下合金的损伤特性和损伤机理。研究结果表明:首次短时间回击电流分量作用下,合金表面形成一层较薄氧化膜,膜层破碎萌生裂纹;回击间长持续时间雷电流分量作用下,合金损伤区第2相粒子密度增大且尺寸减小,过渡区第2相粒子密度明显减少,损伤区和过渡区界面出现树枝晶和带状晶界,合金受热熔化后在电应力作用下凝固不均匀产生裂纹;末次回击后长持续时间雷电流分量作用下,合金出现"过烧"现象,复熔程度加深,出现熔坑,合金损伤区形成了较多的析氢气孔,造成应力集中萌生裂纹。该研究结果可以为合金材料防雷性能的改进提供参考。     

雷电定位系统测量的雷电流幅值分布特征

为满足防雷工程技术对雷电定位系统所测大量雷电流参数的应用需求,在IEEE工作组和国内电力行业规程中采用的雷电流幅值概率分布特性的基础上,通过统计我国典型雷电定位系统监测数据研究了雷电流幅值分布特征。结果表明:采用IEEE推荐的表达形式回归雷电定位系统测量的雷电流幅值累积概率曲线拟合性最好,其结果与IEEE推荐雷电流幅值分布特征符合,与我国当前规程中推荐的曲线有交叉,小幅值部分累积概率值高出规程值20%,大幅值部分累积概率值略小,与高压架空输电线实际雷击绕击跳闸率比设计值偏高相符合。     

架空输电线路雷电流波形实时监测系统

针对当前架空输电线路雷击点的查找和雷击形式判断难题,通过对雷击输电线路电流路径研究和雷击杆塔仿真计算,得出了雷击导地线、杆塔电流路径和绝缘子串闪络监测及判别方法,研制了可快速分析判断雷击线路杆塔号、雷击地线或导线相别、位置、雷电流极性和雷击形式的雷电流幅值、时间和波形等参数的实时监测系统。经过1年多运行,监测系统于2007-04-22成功监测到雷击110kV汪官线#51杆塔雷电流参数,首次实测到了雷击杆塔电流波形、幅值和极性。     

雷电流最大陡度及幅值的频率分布

雷电流参数的测量是进行雷电研究的基础工作，对于研究雷电特性、分析雷害事故、鉴定雷击跳闸事故责任、探讨防雷对策及为绝缘配合设计提供精确的原始数据均具有十分重要的意义。在电力系统防雷保护与雷电特性基础研究工作中，雷电流的最大陡度、幅值具有重要的意义。该文采用记录品质较好的金属磁带作磁卡的磁层，对雷电流幅值、最大陡度进行了实地测量，并对测量数据进行了深入的研究。进而提出中国桂林地区雷电流最大陡度与幅值的频率分布曲线，为电力系统的防雷研究提供了很好的手段和真实的数据。