真空中铝单丝电爆炸的实验研究

开展了铝单丝在负极性电流脉冲作用下电爆炸特性的研究.利用皮秒激光探针,搭建了阴影、纹影和干涉的光学诊断平台,得到了不镀膜铝丝典型的能量沉积过程,在电压崩溃时刻其沉积能量为2.4 eV/atom.为了增加金属丝内的沉积能量,开展了相同电参数及金属丝尺寸下的镀膜铝丝电爆炸实验,其沉积能量可达到5 eV/atom,实现了在电压崩溃之前铝丝完全气化(完全气化所需能量为4 eV/atom).阴影图像展示了高密度丝核区域的膨胀过程,不镀膜铝丝平均膨胀速度为2.2 km/s,而镀膜铝丝因为沉积能量大,其膨胀速度约为不镀膜铝丝的2.3倍,高密度区域膨胀速度为5 km/s.由于阴影不能反映低密度等离子体的膨胀,开展了平行双丝实验,通过测量自发光辐射,估算了低密度等离子体的膨胀速度.利用条纹相机拍摄了不镀膜铝丝电爆炸过程中自发光区域的图像.纹影图像清晰地展示了不镀膜铝丝在电爆炸过程中形成的核冕结构,而镀膜铝丝电爆炸过程中核冕结构得到了一定程度的抑制.从干涉图像计算了相移,在轴对称假设下对相移进行阿贝尔逆变换,重构了三维的铝原子数密度分布.     

真空开关在分断过程中电弧引燃过程研究

为了深入了解真空电弧的引燃过程，测量了直流真空电弧起弧阶段的电弧电压，屏蔽罩电位以及屏蔽罩收集的离子电流等参数，分析了真空电弧的引燃过程，起弧后等离子体的扩散过程，以及纵磁场对等离子体扩散的影响。     

快前沿电流产生气化铝单丝Z箍缩负载的研究

为了抑制丝阵Z箍缩单丝电爆炸过程产生的核冕结构,分析了激光探针诊断的物理内涵,并基于约30 ps激光探针研究了负极性快前沿脉冲(90—170 A/ns)下铝丝的电爆炸特性.直径15μm,长2 cm的铝丝,阻性电压峰值为35—50 kV,电压击穿前金属丝电阻率增加至30—40μΩ·cm.电压峰值时刻沉积能量为1.5—2.5 eV/atom,欧姆加热功率下降至峰值一半时的沉积能量为2.5—4.0 eV/atom,接近铝丝从室温加热至完全气化所需的能量约4.0 eV/atom.快前沿脉冲可增加金属中的欧姆能量沉积速度,提高负载击穿电压.激光纹影图像可以观察到气体通道和等离子体通道,得到冕等离子体的平均电离度约为0.3.由于极性效应,电极附近区域的能量沉积超过负载中部区域,电极附近负载基本完全气化,而负载中部区域仍存在液态或团簇状颗粒.一些发次中,实现了轴向均匀且完全气化的铝蒸气,在电压击穿后的约127 ns,70%的初始质量分布在直径1 mm的区域内,100%的初始质量分布在直径2 mm的区域内.     

基于Thomas-Fermi-Kirzhnits模型的物态方程研究

本文针对丝阵Z箍缩等高能量密度物理实验的数值模拟研究, 建立了一种适用温度、密度范围宽的三项式半经验物态方程. 三项式半经验物态方程包括零温自由能项, 电子热贡献项和离子热贡献项. 零温自由能项采用多项式拟合的方法确定. 多项式系数通过多项式计算的结果与高压缩比区域和压缩比为1时零温Thomas-Fermi-Kirzhnits模型计算的结果对应相等得到. 离子对物态方程的热贡献采用一种准谐振模型, 此谐振模型可以描述离子在固态相中的行为, 并且在高温度、低密度区域趋近于理想气体物态方程. 电子对物态方程的热贡献采用含温Thomas-Fermi-Kirzhnits模型计算. 利用所建立的三项式半经验物态方程计算了铝的等温压缩曲线, 并与实验数据做了对比. 给出了很宽温度、密度范围内铝的压强, 其数据与相应的SESAME数据库数据做了对比.     

压力比对高压SF6断路器喷口中冷态气流场影响的研究

为了辅助高压SF6断路器灭弧室的设计和优化,以拉法尔喷口结构为基础,对3种长度喷口结构下的冷态SF6气流场进行了数值计算和分析,通过对比压力与马赫数的变化特点,研究了上、下游压力以及喷口长短对气流场分布的影响.确定了3种长度喷口对应的临界压力比值,并着重分析了压力比与激波产生和运动之间的关系,讨论了物性参数所引起的计算误差.结果表明:不同长度的喷口结构,临界压力比不同,当上下游压力比低于临界值时,喷口中产生激波,反之则无激波产生;激波的位置随着压力比以及喷口的长度而变化;当喷口下游气体始终处于超音速流动时,出口压力与设定值无关,仅随着入口压力的增加而增大.此外,有效地导入气体属性能够降低数值仿真中的误差,提高仿真结果的精度.     

基于机构动力学特性仿真的高压断路器优化设计

基于多体动力学原理,利用多体系统仿真软件包建立了VS1型高压断路器的机构动力学模型,并通过试验测试了该型号断路器的机械特性,结果表明所建模型的输出特性跟试验结果吻合得很好,证明了模型的正确性.该模型的建立对于研究断路器的瞬态特性具有重要意义,从而为优化设计提供了良好的平台.基于所建立的模型,对断路器中的部分关键部件,如凸轮连杆机构和油缓冲器进行了优化设计.优化结果表明:对于凸轮连杆机构,若滚轮半径为12 5mm,该机构将有较好的动力传递特性;对于油缓冲器,要想得到较好的缓冲特性,阻力系数的合理范围应为0 05～0 5.     

小波包频带能量分解在断路器机械状态监测中的应用

基于小波包原理,将断路器操作振动信号分解到独立的频带内,不同频带内信号能量的变化反映了断路器机械运行状态的改变.提取主要的频带能量作为断路器状态监测的特征向量,并根据试验结果确定了不同状态下能量特征向量的容差范围,从而实现了不同机械状态的简单分类,为断路器的机械状态监测提供了相应的量化依据.试验模拟了ZN12-35型真空断路器4种不同的合闸同期性状态,采用单个加速度传感器在机构箱上获取合闸时的触头振动信号.该信号经过小波包频带能量分解后,可以将各种合闸同期性状态分类集中在复平面中明显区分的不同区域内,从而验证了该方法在断路器机械状态监测中的有效性.重复试验表明,在保证监测系统稳定的前提下,该方法具有较高的状态监测准确率.     

SF6及其混合气体临界击穿场强计算与特性分析

为了在弧后电击穿评估时得到热态SF6及其替代或混合气体的准确临界击穿场强,通过求解两项近似Boltzmann方程,得到了SF6气体在0.4MPa和0.8MPa下、300～3 000K范围内的折合临界击穿场强(E/N)cr。结果表明:SF6气体的(E/N)cr随温度升高而跌落,其减小速度与SF6的分解速度有关;在1 500～2 500K范围内,SF6气体在0.8MPa下的(E/N)cr明显高于0.4MPa下的(E/N)cr,而在其他温度下,二者的(E/N)cr非常接近。同时,计算了SF6-CF4、SF6-CO2、SF6-O2、SF6-CH4、SF6-C2H6和SF6-CHF3在300K下的(E/N)cr,发现当x(SF6)超过10%以后,6种混合气体的(E/N)cr随x(SF6)近似线性变化,且6种纯气体中CF4和O2的(E/N)cr最大,而与SF6混合后,SF6-CF4和SF6-O2的(E/N)cr相当,仍高于其他混合气体。此外,还引入了SF6与混合气体击穿场强的比值r,在一定范围内只要混合比例与压强适当,混合气体可得到与SF6相当的击穿场强。     

水中金属丝电爆炸冲击波一维数值模拟

为了明确水中金属丝电爆炸冲击波的形成机理,基于经典活塞模型,采用相似参数法,引入双人工黏性系数,建立了水中金属丝电爆炸冲击波的一维计算模型。以等离子体放电通道边界膨胀轨迹作为模型唯一的输入参数,得到水中冲击波传播的时间与空间的分布规律,通过与其他文献实验结果的对比,验证了该计算方法的有效性。模拟结果表明,双人工黏性系数法使计算得到的冲击波更符合实际情况。爆炸初始时刻,等离子体放电通道边界膨胀压缩周围水介质产生的冲击波高达GPa级,冲击波压强峰值与径向传播距离的-0.70次幂成正比关系。文中采用的计算方法既不涉及脉冲放电过程以及复杂的放电等离子体物理变化过程,也不涉及放电通道与水的物理化学作用过程,只需根据诊断实验得到放电通道边界膨胀轨迹,即可模拟水中金属丝电爆炸冲击波的产生与传播过程,对工程实践具有重要的指导意义。     

高功率脉冲氙灯中的等离子体放电通道

研究了高功率脉冲氙灯放电过程中等离子体通道的演化规律。分析了充电电压、主脉冲脉宽及主预脉冲时间间隔等对等离子体通道的影响规律。实验过程中在脉冲氙灯接地端子附近观察到了明显的等离子体通道分叉现象。研究发现,脉冲氙灯工作环境中的电场分布对氙灯内等离子体通道的形成与演化特性将产生十分重要的影响,其决定了等离子体通道的形态。其他影响因素则通过改变放电通道的亮度、均匀度与充盈度等特征施加其影响。