亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        一種基于位移電流的雷電中和方法研究

        2021-01-29 02:56:04郭偉盧志軍王彩云馬廠韓思佳
        智能建筑與智慧城市 2021年1期
        關(guān)鍵詞:雷云時間常數(shù)中和

        郭偉,盧志軍,王彩云,馬廠,韓思佳

        (1.吉林省德鴻光電科技有限公司;2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心;3.北京雷布斯雷電安全科技有限公司)

        1 引言

        雷閃是一種大氣中的放電現(xiàn)象,其成因是空氣的強烈對流,引起了云層之間的摩擦積累了足以擊穿空氣的電位差。云層與地面之間的放電,嚴重危害著人群的生命財產(chǎn)安全以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進行[1]。自近代以來,避雷針的出現(xiàn)大大降低了雷擊事故的發(fā)生。避雷針利用尖端放電效應(yīng)吸引雷閃對避雷針放電,再經(jīng)引下線和接地裝置將電流引入大地,以此方式避免人員及建筑等被雷閃擊中,自發(fā)明以來極大地保護了人民生命和財產(chǎn)的安全。

        ①當雷云局部電荷過多,雷云放電引起的擊穿空氣傳導(dǎo)電流過大,接閃器及引下線將電流導(dǎo)入大地時可能產(chǎn)生瞬間高溫致使金屬融化并引起火災(zāi)。

        ②當避雷針附近有可燃性氣體時,比如油庫、森林等,避雷針引雷一旦發(fā)生弧閃,產(chǎn)生火花放電效應(yīng),將點燃可燃性氣體,引起爆炸,造成危害。

        ③當避雷針附近有電路時,例如,電子設(shè)備、電氣設(shè)備、通信設(shè)備以及其中的芯片,避雷針引雷時將產(chǎn)生巨大的電磁脈沖,極有可能導(dǎo)致此類設(shè)備出現(xiàn)故障和損壞,造成財產(chǎn)損失。

        上述技術(shù)缺陷的根本原因是傳統(tǒng)避雷針只依靠雷云和避雷針之間的傳導(dǎo)電流泄放雷電荷,因此其安全隱患難以克服[2,3]。不過,根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,在雷云與防雷裝置之間并非只能傳輸傳導(dǎo)電流,還可以傳輸位移電流。基于此原理,利用位移電流中和雷電荷能為防雷提供一種可選擇的新手段。由于位移電流本質(zhì)是電場隨時間的變化量,通過控制防雷裝置的參數(shù),位移電流可明顯弱于傳導(dǎo)電流,中和雷云的方式更為安全,有望克服傳導(dǎo)電流放電的缺陷。為此,本文開展了方法研究,通過研制的原理樣機開展了驗證試驗,證明了該方法的有效性。

        2 可變電容型中和器基本原理和結(jié)構(gòu)

        根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,通過空間某截面的電流應(yīng)包括傳導(dǎo)電流與位移電流和運流電流,其和稱全電流(total current),如式(1)

        即:全電流I=傳導(dǎo)電流Ic+運流電流Iv+位移電流Id,其中:傳導(dǎo)電流Ic指導(dǎo)體內(nèi)自由電荷定向移動所形成的電流[4];運流電流Iv有時也稱之為對流電流,指導(dǎo)體外自由電荷定向移動所形成的電流[5];位移電流Id 指變化的電場所等效的電流[6]。

        全電流是連續(xù)的,在空間構(gòu)成閉合回路。導(dǎo)線中有傳導(dǎo)電流,而電容器中有位移電流,即傳導(dǎo)電流中斷處,有位移電流接上。反之亦然。通常,人們將運流電流歸于傳導(dǎo)電流范疇,在自由電荷較少或其移動受限時,運流電流可忽略[7]。

        2.1 基本原理

        本文提出了一種可變電容與可變電阻并聯(lián)的雷電中和方法,其原理如下:

        雷云在強烈對流的作用下粒子間不斷碰撞分離產(chǎn)生大量電荷,形成電場,雷云可近似等效為動態(tài)電源Vi,其電動勢為ε,而雷云中電場較強的區(qū)域空氣產(chǎn)生電離,形成導(dǎo)電通道,可等效為動態(tài)電阻R,作為雷云動態(tài)電源的內(nèi)阻,空間感應(yīng)電容包括兩個部分,分別是雷云電荷與接閃器之間的電容C 和雷云電荷與大地之間的電容C′。雷云、空間感應(yīng)電容與雷電電磁中和器、大地構(gòu)成閉合回路,其等效電路如圖1 所示。

        圖1 可變電容型雷電中和全路徑等效電路

        當雷云形成時,雷云與接閃器之間感應(yīng)電荷,進而給可變電容Cv充電;可變電阻Rv初始狀態(tài)為高阻,可視作斷路;可變電容Cv與電容C(即空間感應(yīng)電容)對雷云施加的總電壓串聯(lián)分壓,可變電容兩端在時刻感應(yīng)電壓為;當超過閾值時,可變電容Cv 增大;同時,可變電阻導(dǎo)通,電阻變小,與可變電容組成暫態(tài)電路將可變電容感應(yīng)的電荷以時間常數(shù)泄放至大地;該暫態(tài)電路泄放的電流導(dǎo)致空間感應(yīng)電容兩端電荷發(fā)生變化,進而改變空間電場強度并以位移電流的形式組成空間電流,流過包含雷云等效動態(tài)電源組成的全路徑等效電路。雷云的另一端通過與大地之間電容,形成了整個閉合回路[8、9、10]。

        上述等效電路的暫態(tài)方程可由式(2)描述:

        其中,Vi為雷云等效動態(tài)電源在t時刻提供的等效電壓

        等式左邊代表流過空間感應(yīng)電容C的位移電流,也是全電路的電流;等式右邊第一項為流過可變電容Cv;等式右邊第二項為流過可變電阻Rv的傳導(dǎo)電流。

        式(2)的解為:

        初始狀態(tài)時,Rv呈現(xiàn)高阻態(tài),可視為開路,則可變電容Cv感應(yīng)到的雷云電壓為與空間感應(yīng)電容C 的串聯(lián)分壓,電壓為:

        根據(jù)式(3),可變電容Cv流過的電流icv為:

        根據(jù)式(3),可變電阻Rv流過的傳導(dǎo)電流iR為:

        式(3)~(6)說明,當可變電容感應(yīng)到的電壓達到閾值時,可變電阻導(dǎo)通,可變電容感應(yīng)電荷通過可變電阻放電,電流為iR。該放電電流消耗了接閃器感應(yīng)的電荷,由式(7)給出:

        根據(jù)電荷守恒定律,作為空間等效電容的雷云端,也將被消耗等量的電荷,即,流過空間感應(yīng)電容的位移電流I 為:

        根據(jù)基爾霍夫第一定律,電流I 是整個等效電路的電流,它以位移電流在空間輻射的形式通過空間感應(yīng)電容C 到達雷云,在雷云中轉(zhuǎn)化為傳導(dǎo)電流和運流電流中和雷云電荷。中和量Q 由(8)式給出。

        2.2 結(jié)構(gòu)及參數(shù)

        可變電容型雷電電磁中和器包括:接閃器、可變電容、可變電阻和引下線;可變電容和可變電阻并聯(lián),并聯(lián)之后的兩端分別與接閃器及引下線相連,引下線接地,如圖2 所示。

        圖2 雷電中和器組成

        電容參數(shù)的選取對中和器而言較為關(guān)鍵。根據(jù)公式(3)~(8),不采用可變電容,雖然也會產(chǎn)生位移電流,但存在如下問題:

        ①電容值較小的情況下,雖然感應(yīng)到的電壓較高,電路能盡快建立暫態(tài)過程,但時間常數(shù)很小,中和的電荷很少,達不到防雷效果。

        ②電容值較大的情況下,感應(yīng)電壓較小,時間常數(shù)很大,電路進入暫態(tài)過程慢,接閃器將累積大量電荷,與云端的電場過強,容易導(dǎo)致空氣擊穿。

        因此采用可變電容和可變電阻配合會產(chǎn)生較好效果。初始狀態(tài)可變電容容值小,感應(yīng)電壓高,電路能盡快進入暫態(tài)過程;進入暫態(tài)過程后,容值變大,時間常數(shù)增大,中和的電荷量也隨之增多。此時可變電阻應(yīng)迅速減小,加快放電過程,以免時間常數(shù)不會增大的太長。

        可變電容和可變電阻參數(shù)如圖3所示。

        圖3 中,實線為壓敏電容隨電壓變化曲線,虛線為壓敏電阻隨電壓變化曲線??勺冸娙萦赦夋V酸鉛(PMN)-鈦酸鉛(PT)-鈮鋅酸鉛(PZN)半導(dǎo)體勢壘電容制備而成的壓敏電容,按0.90PMN-0.08PT-0.02PZN 的比例配制,在1050℃高溫?zé)Y(jié),用銀電極與ZnO 壓敏電阻材料并聯(lián)。其動態(tài)電容范圍為10pF ~10μF,電壓閾值為4kV,超過該閾值動態(tài)電容由小到大劇烈變化,由nF 量級增大到μF量級;與之并聯(lián)的ZnO可變電阻,其閥值為10kV。低壓時處于高組態(tài),接近閥值時動態(tài)電阻急劇減小。

        圖3 可變電容和可變電阻參數(shù)曲線

        圖4 雷電沖擊響應(yīng)試驗

        圖5 實測感應(yīng)電壓波形

        當可變電容感應(yīng)到的電壓超過閾值時,動態(tài)電容在nF 以上量級,遠遠大于空間感應(yīng)電容C,時間常數(shù)在4kV ~8kV 電壓區(qū)間時間常數(shù)在70s左右。超過8kV,由于可變電阻很小,時間常數(shù)隨之減小。

        3 模擬試驗及結(jié)果

        為驗證上述原理,模擬了雷電沖擊響應(yīng)試驗。試驗采用了30kV 沖擊電壓發(fā)生器、1m×1m 方形雷云板、RIGOLDS5022ME 數(shù) 字 示 波 器 及100:1 探 頭等設(shè)備。模擬試驗實物圖及示意圖如圖4a、4b 所示。

        實驗中,沖擊電壓發(fā)生器連接雷云板上下兩個極板,下極板接地,上極板為-22kV 脈沖電壓,脈沖底寬13ms,時間常數(shù)(1/e 脈沖寬度)為4ms。

        雷電中和器放置在極板之間,引下線接地。接閃器與上極板間距為D,形成空間感應(yīng)電場。接閃器感應(yīng)電壓Vo與D 成反比,即,接閃器與上極板間距越小,感應(yīng)電壓越大。示波器采用100:1 探頭測量接閃器與地之間電壓。

        實測感應(yīng)電壓波形如圖5,具體數(shù)值見表1。

        圖5a 為沖擊電壓發(fā)生器輸出電壓Vi時實測感應(yīng)電壓波形。圖5b 為Vo=1.3kV,圖5c 為Vo=5kV,圖5d 為Vo=8kV

        試驗結(jié)果顯示,在空間電場達不到擊穿空氣的場強,且中和器感應(yīng)電壓達到可變電阻1mA 電壓(U1mA=1kV)時,中和器電路進入暫態(tài)過程,但此時阻值仍較大,Rv≈1.4MΩ,因此電流較小,約為1mA,單次沖擊響應(yīng)中和的電荷量約為44nC;隨著感應(yīng)電壓的增大,峰值感應(yīng)電壓達到5kV 時,動態(tài)電容增大到0.1μF,同時動態(tài)電阻下降到700Ω,峰值電流可以達到7.1A,單次響應(yīng)中和的電荷量約為0.314mC;當感應(yīng)電壓達到8kV 時,峰值電流接近kA 級別,單次響應(yīng)中和的電荷量約為0.0393C。在該狀態(tài)下,如果激勵持續(xù)存在,假設(shè)每秒鐘響應(yīng)25 次,則每秒可中和約1C 電荷,20s 可以中和掉20C 的電荷量,相當于中和掉一個普通雷閃的電荷量。

        表1 Vi=22kV 單脈沖激勵試驗結(jié)果

        4 結(jié)語

        根據(jù)本文2.1 敘述的原理,以上試驗中和的電荷量,在滿足電荷守恒定律的條件下,以位移電流的形式穿過空間電場,中和了等量的極板電荷。若應(yīng)用于戶外防雷,可持續(xù)中和雷云電荷。

        基于位移電流的電荷中和,并不排斥傳統(tǒng)的避雷針原理的防雷,實際上是兩個過程,也就是說,在雷云與接閃器感應(yīng)的電荷量增加速度小于電路中電荷的中和速度,空間電場強度是減弱的,這個過程以位移電流的方式中和;當雷云與接閃器感應(yīng)的電荷量增加速度大于電路中電荷的中和速度,電荷持續(xù)累積,導(dǎo)致空間電場持續(xù)增強,最終導(dǎo)致空氣擊穿,此時電路中可變電容和可變電阻均進入深度飽和擊穿狀態(tài),接近短路,中和器將以避雷針方式泄放電荷。

        基于位移電流的電荷中和,電路電流在kA 級別附近,中和電流較為適中,可以持續(xù)“緩釋”雷云電荷,可明顯降低引雷概率,若應(yīng)用中采用多點分布式布局,引雷概率可大幅降低,中和效果更佳。

        猜你喜歡
        雷云時間常數(shù)中和
        也談中和反應(yīng)
        雷云:“說事拉理”,用溫情疏通民心“堵點”
        免疫塞內(nèi)卡病毒滅活疫苗后豚鼠、家兔與豬的血清中和抗體相關(guān)性研究
        巧斷誣陷案
        范揚:博采與中和的風(fēng)范
        熱電偶時間常數(shù)檢測分揀系統(tǒng)設(shè)計
        重型機械(2019年3期)2019-08-27 00:58:52
        器材改裝界的“手藝人”
        攝影之友(2017年7期)2017-08-22 08:19:21
        在幽深與高古中追尋中和之美——讀段朝林中國畫作品有感
        丹青少年(2017年2期)2017-02-26 09:10:51
        野外遇雷雨
        瞬變電磁視時間常數(shù)tau成像分析與應(yīng)用研究
        成人国产一区二区三区| 日本最新在线一区二区| 国产三级国产精品国产专播| 久久天堂av综合合色| 激情综合色五月丁香六月亚洲| 久久AV中文综合一区二区| 日本激情久久精品人妻热| 久久精品国产亚洲av天 | 亚洲毛片αv无线播放一区| av免费看网站在线观看| 99精品国产一区二区三区 | 中文字幕无码av激情不卡| 国产视频在线一区二区三区四区| 亚洲综合精品一区二区| 国产精品成熟老女人| 久久不见久久见免费视频7| 黄色大片一区二区中文字幕| 久久精品亚洲国产av网站| 精品久久久无码人妻中文字幕豆芽| 中国极品少妇videossexhd| 中文字幕一区二区网站| 国产成人精品日本亚洲i8| 欧洲美女黑人粗性暴交| 国产欧美精品一区二区三区–老狼| 中文字幕久久熟女人妻av免费| 国产自拍精品一区在线观看| 亚洲国产美女精品久久久| 日本视频一区二区三区免费观看| 青青草手机在线免费视频| 国产精品国产三级国产av品爱网| 久热在线播放中文字幕| 日韩精品首页在线观看| 91精品国产在热久久| 国内精品人妻无码久久久影院导航 | 综合久久加勒比天然素人| 中国孕妇变态孕交xxxx| 欧美性大战久久久久久久| 69搡老女人老妇女老熟妇| 国产在线一区二区三区四区不卡| 久久午夜夜伦鲁鲁片免费无码| 91精品久久久久含羞草|