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。     

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。     

雷电流分量对碳纤维增强型复合材料层合板的雷击损伤效应

为了研究不同时序组合方式的多重连续雷电流分量作用下碳纤维增强型复合材料(carbonfibrereinforced plastics,CFRP)层合板的雷击损伤特性,通过雷击损伤区域形态观察,红外温度测试,C扫描探测等手段,对比了多重连续雷电流分量作用下CFRP的雷击损伤类型及损伤程度,研究影响CFRP雷击损伤深度和面积的因素,并探索多重连续雷电流分量在CFRP层合板上的散流特性与作用机理。研究发现:CFRP层合板的雷击损伤类型包括纤维断裂、烧蚀,树脂热解,铺层分离等。在论文实验条件下,当雷电流A、B、C及D分量连续作用时,损伤面积达2 790 mm2,损伤深度约为1.28 mm。在多重连续雷电流脉冲作用过程中,雷电损伤深度主要与上升梯度高的雷电流A及D分量产生的局部热效应、冲击力效应及介质击穿有关;而CFRP层合板雷击损伤面积与表面温度的增加主要受到作用时间长、转移电荷量大的雷电流C分量的影响。对多重连续雷电流损伤效应的研究能够加深对雷击作用过程的理解,为CFRP雷电直接效应测试标准的完善、CFRP结构的优化和设计提供实验依据与理论基础。     

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。     

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。     

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%。     

三种冲击电流连续作用下铝3003合金的损伤特性

研究多种冲击电流连续作用下金属的损伤特性是揭示金属遭受雷击时损伤机理的有效手段;通过观测和对比三种冲击电流单独和连续作用下金属的表面损伤形貌、剖面损伤组织特征、元素含量变化和显微硬度变化,分析三种冲击电流单独和连续作用下金属的损伤机理和损伤特性;讨论多种冲击电流连续作用对金属损伤特性的影响;总结多种冲击电流连续作用下金属损伤出现的典型特征。结果表明,电流幅值为404A的矩形波输出同时依次叠加幅值为150kA的30/80?s电流波和幅值为2.0kA的2ms方波的组合电流作用下,3003铝合金的损伤面积为3 156.0mm2,损伤深度为4.7mm,氧元素含量增加35.56%,显微硬度值增加至78.5,相比于主导损伤对应的单一冲击电流作用下,金属的损伤面积、损伤深度、损伤区氧元素含量和显微硬度值分别增大了15.5%、42.4%、21.3%和2.7%;多种冲击电流连续作用下,金属损伤出现了深度加深和裂纹加剧的典型特征。     

±800kV宾金线浙江段线路走廊雷电活动参数分析

为掌握±800kV宾金线浙江段线路走廊的雷电活动参数以作为线路防雷计算等工作的基础,利用雷电监测系统,对其进行网格划分,并对2010~2016年雷电参数进行了统计分析。结果表明,±800kV宾金线浙江段线路走廊靠近浙赣边界和金华换流站两段的雷电日数、地闪密度较大,属于雷电活跃区域;雷电流幅值累积概率分布可用IEEE推荐公式取得良好的拟合效果;沿线正地闪的主放电回击次数小于负地闪的主放电回击次数;不同年份雷电日、地闪密度差异较大,正地闪比例、雷击主放电回击次数均值保持稳定。     

10 kV配电线路火箭引雷试验及雷电流波形特征分析

为了研究引雷至配电线路雷电流波形特征,开展了国内首次10 kV配电线路火箭引雷试验,成功触发26次闪电,其中包含回击闪电20次,总回击数120次,每次闪电平均包含6次回击,一次雷击过程回击次数最多高达13次。一次典型雷电流波形可分为3个阶段：初始阶段(IS)、回击(RS)和M分量。IS的平均电流、转移电荷、持续时间的几何平均值分别是56.2 A、15.0 C、267.1 ms; RS的峰值电流、10%～90%上升时间、1 ms转移电荷、回击间隔时间的几何平均值分别是16.4 kA、0.6μs、1.1 C、41.9 ms; M分量的峰值电流、10%～90%上升时间、转移电荷的几何平均值分别是0.4 kA、119.8μs、0.08 C。IS转移的电荷远大于单个RS转移的电荷,甚至大于IS后续所有回击转移电荷之和。每次回击平均包含1.5个M分量,一次闪电事件中M分量转移的电荷约为回击转移电荷的11%。雷电流波形数据对电力系统尤其是配电系统的雷电防护设计有帮助。     

±800kV宾金线浙江段线路走廊雷电活动参数分析

为掌握±800kV 宾金线浙江段线路走廊的雷电活动参数以作为线路防雷计算等工作的基础,利用雷电监测系统,对其进行网格划分,并对2010~2016年雷电参数进行了统计分析.结果表明,±800kV 宾金线浙江段线路走廊靠近浙赣边界和金华换流站两段的雷电日数、地闪密度较大,属于雷电活跃区域;雷电流幅值累积概率分布可用IEEE推荐公式取得良好的拟合效果;沿线正地闪的主放电回击次数小于负地闪的主放电回击次数;不同年份雷电日、地闪密度差异较大,正地闪比例、雷击主放电回击次数均值保持稳定。     

珠三角某地区10 kV配电网差异化防雷分析

以珠三角某地区的雷电数据为基础,阐述该地区的落雷密度、雷电流幅值的变化和分布特性;统计分析雷击跳闸、设备损坏情况之间的相关性。然后分析10 kV配电网的避雷器、绝缘子、配电变压器和导线的雷击损坏原因,总结10 kV配电网防雷的差异化和存在的问题,并针对不同设备提出相应的防雷措施,为10 kV配电网的防雷改造提供指导。     

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。     

雷电脉冲电磁场对电站敏感设备的电磁干扰

为研究雷电脉冲电磁场对电站敏感设备的干扰情况,研究了雷击大地时近场和远场区脉冲电磁场特性,对比分析了不同回击模型的计算结果;提取雷电脉冲电磁场中的有效干扰分量,与标准规定的电磁兼容阈值进行比较。考虑到设备外壳及墙体的屏蔽效能,结合广东地区雷电活动统计规律,分析了不同距离和通道电流下发生雷击地面时的电磁干扰情况以及发生故障的概率。结果表明,在20 dB屏蔽效能下,距离敏感设备中心300 m外区域发生雷击时,雷电流幅值150 kA时才可能导致设备外壳端口的电磁干扰超标;考虑距离电站200 km范围内的所有雷电情况,20 dB屏蔽效能下站内敏感设备发生雷电电磁干扰的总电磁干扰超标概率为0.006次/a;40 dB屏蔽效能下的超标概率为2.2×10-5次/a。     

考虑结构变化的架空地线雷击机械损伤建模与分析

针对铝包钢地线遭受雷击后发生损伤乃至断股、断线的机理，国内外已开展多项针对雷击造成地线热烧蚀损伤的研究，但地线的损伤是热烧蚀损伤和机械损伤共同作用的结果，因此有必要对地线在雷击过程中的机械损伤进行分析。首先根据实际雷击地线的物理过程，利用COMSOL软件搭建一个考虑结构动态演变的地线机械损伤评估模型，该模型可以实现地线在雷击过程中存在的结构演变的模拟；接着利用试验数据验证该模型的准确性；最后使用该模型，对地线在各种参数的脉冲分量、持续分量作用下的机械损伤进行计算并评估其损伤结果，确定机械力对地线雷击损伤的影响。研究结果表明：相比于脉冲分量作用阶段，在持续分量作用下，机械力会对地线造成更加明显的损伤；雷击过程中冲击力和电磁力不会对地线造成损伤，但是热应力和轴向拉力的存在会明显加剧地线的损伤，因此在进行地线在雷击作用下的损伤分析时，机械力的作用不可忽略。     

防雷装置在火箭引雷试验中的接闪现象分析

通过火箭引雷试验记录了避雷针和半导体消雷器两种防雷装置在雷电下接闪 (包括回击 )的图像、地面场强、回击次数及最大雷电流幅值数据 ,试验及分析表明 :避雷针对雷电闪络的通道有吸引作用但其保护角 <4 8°;消雷器的半导体长针在接闪过程中可自动并联放电和沿面闪络。     

基于降低雷电流最大陡度线路防雷新方法的研究

雷电流陡度大是雷电破坏的主要原因之一。采用人为的手段降低雷电流陡度,可以减少雷电对杆塔等雷击点的破坏作用。提出了限陡避雷针的新理论,深入讨论了它的作用机理。通过暂态仿真软件ATP对模型进行了定量研究,结合大电流冲击发生器的模拟实验。证明了限陡避雷针的使用,能有效地降低雷电流陡度,降低塔顶电位。为电力设备防雷又提供了一种新的手段。     

人工触发闪电引发的低压电源系统过电压特征

针对全国自动气象站采集器屡遭雷击致使不能正常业务运行的现象,开展了自动气象站电子设备电源系统雷电防护试验。利用人工触发闪电技术,对自动气象站采集器电源线路感应过电压进行了观测,对雷击造成的感应效应和采集器等电子设备的雷电防护关键技术进行了探讨。分析了多回击触发闪电引起输电线路的感应过电压特征、浪涌保护器(SPD)残压特征以及与触发闪电之间的关系。结果表明:近距离触发闪电的回击过程在架空线路上产生峰值达十几kV的双极性感应过电压,过电压可分为主峰值段和后续过电压两个阶段,其平均持续时间分别约100μs和4 ms,后续过电压持续时间与回击后连续电流的波动有关;在人工触发闪电的初始连续电流阶段也能感应>2 kV的过电压,且持续时间较长,过电压集中段时间约12 ms,平均电压332.5 V,其对输电线路造成的危害也不容忽视。SPD残压峰值与触发闪电电流峰值有较好的正相关关系,相关系数为0.86,SPD残压特性稳定,在一定程度上起到了限压泄流的作用。     

迂回策略防雷技术研究与应用

安装在外场铁塔上面的仪器设备容易遭受雷击,做好防雷设施至关重要。在忠于防雷标准规范基本要求的基础上,探索如何有效地改进防雷方法,提高防雷设施的防雷性能,降低仪器设备遭受雷击的概率。在分析总结大量雷击实例的基础上,从雷电脉冲频谱特性及电磁兼容原理入手深入分析雷击细节,寻找雷击诱因,基于导体分布电感电容参数能够减弱或者阻隔雷电脉冲的特性,提出了运用迂回策略改变设备设置点偏离泄流主通路,以分布电感阻隔作用调整分流,减少雷电流对设备的直接冲击的解决方案。针对已建系统的低工程成本防雷改造,提出了“短迂回策略”,对于新建系统提出了“长迂回策略”防雷解决方案,并都给出了具体的设计方法,改进了传统的防雷做法。经过近20年的实例统计分析,结果表明了迂回策略的防雷方法更加实用、有效,易于实施,与传统防雷方法相比,其效果更加显著。     

青藏铁路格拉段雷暴活动与雷击过电压保护

青藏铁路格拉段是世界上海拔最高的高原铁路。开展沿线雷暴活动情况的研究,掌握在高原气候和海拔的双重作用下,其独特的雷暴活动规律,对于雷击过电压保护具有重要意义。结合沿线多年勘测的雷暴数据进行了理论分析,总结了沿线的雷暴活动情况及雷电流特性,为深入开展沿线雷击过电压保护、实施防雷接地工程打下基础。     

雷击输电线路时全波电磁暂态特性研究

研究遭受雷击时输电线路的全波电磁暂态特性,可以得出雷击时输电线路出现闪络现象的概率,避免输电线路发生破损,提高其安全性和稳定性。构建输电线路雷击仿真模型,包括杆塔、雷电流和输电线路模型,模拟输电线路受到雷击的情况,并分析其在雷击作用下所产生的2类电压,包括直接雷过电压和感应过电压,以此为依据分析输电线路在雷击作用下的全波电磁暂态特性。结果表明,当中间杆塔上相被60 kA雷电流击中时,导线相本基杆塔和邻近杆塔在受到雷击1 s内容易出现闪络现象;绝缘子被雷击时产生500~600 kA的电弧电流,造成绝缘子破坏;在输电线路的导线中安装避雷器,可避免其被雷击时的跳闸现象。