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。     

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。     

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。     

碳纤维含量对复合材料雷电损伤特性的影响研究

本文采用有限元软件ANSYS建立电热耦合的有限元模型,研究碳纤维含量与损伤深度、损伤面积、损伤阈值的关联特性,并对碳纤维含量为70%的复合材料件进行直接效应试验,得到试验件的雷电损伤阈值与损伤特性,与仿真结果进行比对,验证仿真的可靠性。     

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。     

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%。     

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。     

雷击碳纤维叶片的表面场强分布与附着特性研究北大核心CSCD

风电场中使用碳纤维叶片的风机正在逐年增多,为了研究碳纤维应用在风机叶片时的雷击附着特性,文中建立了碳纤维和玻/碳纤维混合风机叶片的三维电磁场仿真模型,基于有限积分法和理想边界拟合技术,通过计算不同材料叶片表面场强分布,分析了下行先导位置和叶片材料影响雷击附着特性的原因,研判了接闪器对碳纤维叶片的保护能力。研究结果表明:全碳纤维叶片表面场强分布特性与玻璃纤维叶片相似,但更早且更易产生上行先导;玻/碳纤维混合叶片表面场强分布受材料特性影响呈明显的差异化分布,碳纤维部分较玻璃纤维部分更易受雷击;下行先导的位置对叶片表面场强分布的影响与材料特性相关;雷击附着特性分析显示传统叶片接闪器对碳纤维叶片的保护能力有限。     

碳纤维复合材料雷电损伤预测

相对于传统金属材料,碳纤维复合材料对雷电更加敏感,雷电损伤更为严重,必须通过雷电防护试验验证其雷电防护能力。因此根据标准开展试验,试验后通过无损探伤检测得到损伤数据,并建立了碳纤维复合材料雷电损伤预测参数模型。然后依据该模型进一步分析了雷电环境参量对碳纤维复合材料特性的影响,得出相应的损伤特性曲线。最后通过模型对比分析了火焰喷涂铝防护方式和表面铺设铝网防护方式下碳纤维复合材料的雷电击穿特性。结果表明:损伤深度由作用积分和电荷量共同作用,最大损伤深度随着作用积分和电荷量的增大单调递增。当电荷量保持不变取150C,试验件击穿时前者的作用积分击穿阈值为1.801×10~6A~2s,大于后者的阈值1.0×10~6A~2s;当作用积分保持不变取1.5×10~6A~2s,试验件击穿时前者的电荷量击穿阈值为289.87 C,大于后者的阈值97.50 C。因此可知相同条件下,前者的防护效果更优。     

雷电发展对高速铁路周围电场分布影响的研究

雷害是影响高速铁路安全稳定运行的关键因素之一,研究雷电先导作用下高速铁路周围电场的变化规律对于高速铁路雷击机理的阐明具有重要意义。文中结合先导法建立了高速铁路三维雷击仿真模型;通过调整导体携带电荷量、高度及侧面距离,来模拟不同雷电流幅值以及先导空间位置对高速铁路周围电场分布的影响;并对比分析了高架区段和路基区段高速铁路周围场强分布情况。研究发现,在雷电流幅值为数千安时,高速铁路周围仍有上行先导产生,因此认为在雷击计算中,雷电流较小情况仍需考虑上行先导;随着雷电流幅值、下行先导空间位置的变化,避雷线总是比其他导线更容易产生上行先导;高架区段接触网场强值约为路基区段的1.4倍,因此高速铁路雷电防护的防雷设计施工要求高架区段应高于路基区段。     

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。     

特高压输电线路杆塔雷电流分布的仿真

为了更深入掌握雷击特高压(UHV)输电线路杆塔时雷电流分布的特性,对特高压输电线路杆塔雷电流分布进行了仿真。首先建立了简化的2层杆塔模型,使用矩量法(MOM)进行了雷电流分布计算并通过了实体模型的试验验证。然后在此基础上,根据实际参数建立了特高压输电线路猫头塔的仿真模型,分别就4种雷电流波形和3种不同雷击位置情况下杆塔内的雷电流分布进行了仿真计算。结果表明:雷电流波形越平缓,通过避雷线流向其他杆塔的电流就越多,反之亦然;波前时间的上升导致斜撑流过的电流比例增大;雷击点的改变对雷击点附近的电流分布影响极大并将改变部分导体内电流的方向,但随着导体与雷击点间距离的增加,导体上通过的雷电流受雷击点位置的影响减小,且雷电流分布随着该距离的增加而趋于均匀;杆塔内不同部分的雷电流峰值时间不同,将其幅值直接求和得到的结果大于注入的雷电流总幅值。该研究工作加深了对雷击特高压输电线路杆塔时雷电流分布特性的认识,也为雷电流监测装置的安装提供了参考。     

风电机组叶片雷击风险分布特征EI北大核心CSCD

风机叶片极易遭受雷击损伤,严重威胁风电场安全稳定运行。该文基于自洽先导起始发展模型,提出雷击叶片表面任一位置计算方法,建立叶片下行雷击风险分布计算模型。定义地面雷击截收区域和临界叶尖保护失效雷电流,考虑雷电流幅值、叶片旋角和叶片长度,计算不同装机容量叶片雷击风险分布。结果表明,叶尖保护范围随雷电流幅值的降低而降低;临界叶尖保护失效雷电流随叶片旋角的增加而减小。靠近叶尖区域的雷击风险随叶片长度的增加而减小。该文将叶片划分为Z1、Z20和Z21区域,分析不同区域叶片雷击击穿过程,建议对不同区域进行差异化雷电防护。     

碳纤维复合材料红外无损检测的数值分析

运用大型有限元分析软件ANSYS,对含缺陷的碳纤维复合材料进行瞬态温度场有限元数值模拟,计算分析了缺陷深度、大小和厚度对碳纤维复合材料表面热像对比度的影响规律。结果表明,当缺陷大小一定时,距试样表面越近的缺陷越易检测;当缺陷位于试样一定深度时,缺陷大小在一定范围内,大缺陷容易检测;当缺陷表面与试样表面距离一定时,缺陷越厚越易检测。     

雷击碳纤维叶片的表面场强分布与附着特性研究

风电场中使用碳纤维叶片的风机正在逐年增多,为了研究碳纤维应用在风机叶片时的雷击附着特性,文中建立了碳纤维和玻/碳纤维混合风机叶片的三维电磁场仿真模型,基于有限积分法和理想边界拟合技术,通过计算不同材料叶片表面场强分布,分析了下行先导位置和叶片材料影响雷击附着特性的原因,研判了接闪器对碳纤维叶片的保护能力.研究结果表明:...     

H425直升机雷击分区

直升机雷击分区对其进行雷电防护设计具有重要指导意义。为此,分别以雷电试验和数值仿真2种方法对H425直升机展开雷击分区研究。运用FEKO软件计算了雷电电场环境下直升机机体表面电荷分布情况,模拟分析直升机的雷击附着区域分布,绘制了直升雷击附着区域分布图。采用4.8 MV冲击电压发生器,对直升机的缩比模型进行雷击附着点试验,并根据雷击附着点的统计,分析了直升机雷击可能附着的区域。通过雷击分区研究,给出了H425直升机雷击分区图,并对直升机水平安定面进行了更精确的分区。研究结果表明:带侧端板的水平安定面在侧端板底端附着雷电的概率较大,应将其划为雷击附着区;旋翼桨毂附着雷电概率小,应将其划为雷电扫掠区。研究结果对其它型号直升机的雷电防护设计具有借鉴意义。     

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。     

高导热环氧复合材料干式电抗器热点温升的仿真研究

干式电抗器的稳定运行影响新型电力系统的输电可靠性。干式空心电抗器包封材料整体由浸有环氧树脂的玻璃纤维丝经高温固化而成。本文采用多物理场耦合有限元方法,考虑干式空心电抗器的包封材料热导率对其热点温升的影响,建立了环氧复合材料的COMSOL微观仿真模型和外电路约束下的干式空心电抗器电-磁、流-热耦合计算模型。将电磁场下的损耗作为热源计算温度场与流场分布,研究在25℃环境温度下常规/高导热环氧复合材料对干式空心电抗器热点温升的影响规律。结果表明：高导热环氧树脂对复合材料热导率的提升效果显著;包封材料本体及周围空气温度场区域中热点温升最大值为103.75℃,出现在内部第4层包封材料的上端处;不同热导率的复合材料对降低干式电抗器的热点温升有明显差异,其中干式电抗器在高导热环氧树脂复合材料下的热点温度降低了7.55℃。     

直击雷故障类型下雷电流分流系数仿真研究

雷电参数反演研究对采取有效防雷措施具有十分重要的意义。不同雷击故障类型的输电线路雷电流分布情况相差较大,给雷电流幅值反演带来极大困难,有必要对直击雷下的雷电流分布进行研究。以110 k V输电线路典型直击雷故障电流波为研究对象,首先介绍基于微分环的输电线路雷电流在线监测系统监测原理以明确杆塔分流系数相关量;其次,结合某110 k V输电线路实际参数,建立ATP-EMTP电磁暂态仿真模型;最后,分析不同波形及幅值的雷电流源在直击雷故障下的雷电流分布情况以统计分流系数变化规律。ATP-EMTP结果表明,不同波形的雷电流源下绕击闪络分流系数及其随幅值变化的变化规律相近,而不同波形雷电流源下反击的分流系数相差较大,其随幅值变化的变化规律均较为平稳。因此,雷电流参数反演计算时可根据不同直击雷故障类型采用相应的选择方案。     

大功率直流接触器温度场仿真及影响因素分析

对大功率直流接触器的温度场进行了三维有限元热-电耦合仿真.在建立热分析模型时通过热源等效处理,综合考虑了动、静触头间接触电阻和电磁系统中线圈的发热对接触器温升的影响.在仿真中基于热相似理论计算了接触器各向表面的对流散热系数,考虑了连接铜板对散热的影响,并利用试验对仿真结果进行了验证.基于该模型,进一步研究了接触压力、接触墩外露表面的散热面积、外壳的厚度和材料、连杆材料对接触器温度场分布和触头温升的影响规律,并利用数据拟合得到了触头温升与接触压力的函数关系,为接触器的性能改进和提升提供了理论依据.该研究成果也适用于其他同种类型的开关电器.