利用舰船内部磁场的反演建模方法

积分方程法被广泛应用于舰船磁场反演建模当中,但模型要求有足够多的测量点用于获取舰船在特定深度的磁场。针对积分方程法利用近场磁场建模时精度较差的问题,提出一种增加约束方程的改进措施,并分别开展了薄钢板模型和三维舰船模型磁场数值仿真。采用有限元方法对舰船内部测量点进行初始化选择,基于舰船内部磁场测量值构建了反演模型,采用奇异值分解法求解磁源参数并预测船外空间磁场,舰船外部空间磁场预测结果的均方根误差小于12%。舰船舱段模型磁场推算实验表明,由舱段内部磁场预测外部磁场的均方根误差约为13%,证明了所提出方法的有效性,可以改善传统反演模型的不稳定和精度不足的问题,研究结果可为舰船闭环消磁的算法设计提供思路。

标量磁位积分方程法计算舰艇三维静磁场

掌握舰艇磁场分布规律是实施舰艇磁防护技术的重要前提,采用积分方程法计算舰艇三维静磁场是有效手段之一。积分方程法通常建立以剖分单元内磁化强度或者磁感应强度为待求量的方程组,基于所求得的源区值获得整个场域的解。若想进一步提高磁场计算精度,需要增加网格密度,代价则是计算机的内存需求和计算量急剧增加。针对这一问题,采用一种以标量磁位为待求量的积分方程。将铁磁源区划分为四面体单元,根据变分原理将未知函数分片展开,按照单元和节点的相对位置关系寻找奇异积分,采用参数替换的方法转化为非奇异积分。球体解析模型表明:使用标量磁位进行建模仅需将源区离散为粗糙的网格单元即可得到高精度的磁场计算结果;网格加密后,标量建模方法在保持计算精度的同时,内存需求和CPU执行时间大幅小于矢量建模方法。开展了三维舰船磁场的虚拟验证实验,对于大型船体等需要精细划分网格的铁磁物体,标量磁位积分方程法计算得到的磁场与有限元商业软件的计算结果吻合较好,并且与矢量建模方法相比更加高效和节约内存。

一种舰船高精度感应磁场快速正演建模方法

为了解决矢量积分方程法计算舰船感应磁场时效率较低和计算量较大的问题,提出一种基于简化标量磁位的积分方程正演模型,并引入多层自适应交叉近似(MLACA)算法,不仅能够保证磁场计算精度,还能大幅减少计算机的内存需求和计算时间。数值仿真表明,使用基于MLACA的标量积分方程法能够快速获取高精度的铁磁物体感应磁场。针对舰船铁磁材料的磁性参数不易获取的问题,基于磁场实测值和正演耦合模型,以磁场拟合度、磁化率先验分布和光滑约束条件为目标函数建立磁化率反演模型,并采用模拟退火(SA)算法优化得到等效磁化率的空间分布。球壳数值仿真和船模试验结果表明,磁化率反演优化模型有效可行,其中球壳磁场的预测误差为2.2%,船模磁场的预测误差约为4.8%。

基于流注起始判据的球—板—球短空气间隙击穿电压计算

典型电极结构的击穿电压是外绝缘设计的重要依据,许多学者对此进行了大量的研究,而实际上高压输变电工程中常常需要分析悬浮导体的影响。为此,文中在考虑悬浮导体的基础上,采用Raether-Meek判据、临界电荷判据和光电离判据等3种流注起始判据对球—板—球短空气间隙的击穿电压进行了计算,并开展了工频耐压试验作为对比。结果表明,对稍不均匀电场球—板—球短空气间隙,计算结果与试验值吻合良好,所有计算结果的相对误差和平均绝对百分比误差分别在7.5%和4%以内;其中,基于光电离判据的计算结果精度最高,平均绝对百分比误差仅为2.5%。研究证明了流注起始判据在一定范围内的有效性和推广价值,并有助于阐述稍不均匀电场组合空气间隙的放电机理。

空气间隙的储能特征与放电电压预测

通过数学计算而非试验研究获取空气间隙的放电电压是高电压工程领域长期以来希望达到的目标。为此,基于绝缘击穿缘于储能越限的物理思想,提出了一种空气间隙放电电压预测的新思路:将复杂的空气放电过程研究前移至间隙结构储能状态及其影响因素研究,从电场分布、冲击电压波形两个方面定义了表征空气间隙储能状态的特征集,采用支持向量机(SVM)建立了空气间隙的放电电压预测模型。利用该模型,成功实现了不同间隙长度的棒-板、棒-棒长空气间隙在不同波前时间的正、负极性操作冲击电压作用下的50%放电电压预测,4组测试样本预测结果的平均绝对百分比误差分别为3.6%、3.25%、3.5%和3.8%。该方法有助于推进电气外绝缘的数字化设计,可为构建"计算高电压工程"学科体系提供参考。

支持向量机在组合空气间隙击穿电压预测中的应用

为获取含悬浮导体的组合空气间隙击穿特性,建立了基于支持向量机和电场特征量的组合空气间隙击穿电压预测模型,通过电场特征量表征间隙结构,采用支持向量机建立电场特征量与击穿电压的关联性,以少量典型间隙试验数据作为训练样本,对棒—板—球、棒—板—棒以及球—板—球组合间隙的工频击穿电压进行了预测,通过对比击穿电压试验数据,3种间隙的击穿电压预测结果平均绝对百分比误差分别为4.5%、3.1%和2.8%,最大相对误差均在9%以内,表明所提方法具有较高精度,为组合间隙击穿电压的预测提供了新途径。

数值延拓法在非线性直流电场间接耦合计算中的应用

高压直流设备的材料电导率取决于场强和温度的大小,高度非线性的电场分布可能导致数值求解的发散,而迭代初值的选择是计算收敛的关键之一。为此,提出了一种非线性直流电场间接耦合计算新方法,将原直流场问题转化为特定参数下的同伦方程,以削弱电导率的非线性为出发点,构造了2个具有明确物理意义的同伦方程,并采用数值延拓法对真解进行跟踪,从而扩大初始解的收敛域。以±200 kV直流模注型接头为例,利用数值延拓法结合Steffensen迭代公式计算得到了其电场分布,而采用传统间接耦合方法则会出现数值发散,最后对影响算法收敛性的迭代公式、同伦方程和延拓步长等因素进行了探讨。所提方法有助于提高非线性直流电场计算的大范围收敛性,可有效改善由迭代初值选取不当引起的数值发散问题。

变频供电异步电机端部绕组磁场分析

变频器引入的高次谐波电流会对异步电机端部绕组的振动产生不良影响,而磁场计算是端部绕组电磁力及振动分析的基础。为此,提出了变频器驱动下异步电机端部绕组磁场计算方法,通过二维场路耦合时步有限元法求解定子电流,再将定子电流作为加载条件进行瞬态三维磁场分析。设计了一台实际的三相鼠笼式异步电机,采用所提方法对其进行了建模仿真,同时采用探测线圈测量了端部绕组的漏磁,对比发现仿真结果与试验测量值吻合良好,验证了所提计算方法的准确性。该研究为后续进一步分析端部绕组的振动提供了基础,有助于指导变频供电异步电机的优化设计。

考虑船体涡流影响的舰船消磁线圈电感计算方法

舰船消磁线圈的电感值是影响消磁电源系统设计的重要因素。针对舰船结构复杂、船体涡流去磁效应显著等特点,提出一种基于时谐磁场仿真的消磁线圈电感计算方法,利用三维时谐磁场仿真提取线圈端电压和电流的实部和虚部,并根据阻抗相量表达式确定线圈电感值。重点分析壳体涡流的趋肤效应对电感计算结果的影响规律,提出壳体网格优化控制方法,计算实尺寸航母消磁线圈的电感,并对其影响因素进行分析。分别设计空心线圈电感解析计算模型和航母消磁线圈电感物理缩比模型,并对缩比模型电感进行实测。研究结果表明,空心线圈电感计算相对误差仅为1.8%,缩比模型的自感和互感计算的最大相对误差分别为7.1%和17.2%,有力验证了所提方法的有效性,为舰船消磁电源的设计提供了参考依据。

三芯电缆接头温度场计算

电缆接头是电缆线路运行中的薄弱环节,接头的绝缘状态与接头内部的温度直接相关,研究三芯电缆接头内部温升具有重要意义。首先,建立了三芯电缆接头及本体的3维模型,根据接头不同部位的形状采用不同的剖分方式,并将不同形状的网格通过网格耦合进行连接。然后,在考虑接头接触电阻情况下研究了模型中电缆本体的长度对接头温度分布的影响,选择合适的电缆本体长度,并仿真了三芯电缆接头模型的稳态和暂态温度场。最后,在三芯电缆接头温升试验平台开展试验,比较了接头内部温度的测量值和仿真值,相对误差不超过9%。结果表明该文建立的三芯电缆接头模型计算结果准确,可满足工程应用需求。

用于电缆接头局放检测的插入式传感器频响特性研究

电缆接头是电力输电线路的薄弱环节,检测接头局部放电利于电缆的绝缘状态安全评估。但是,为保证抗干扰能力,现有的局放检测传感器多数会对电缆原有屏蔽结构造成破坏,从而影响电缆的绝缘性能。文中针对中压电缆接头,使用了一种不破坏电缆屏蔽结构的插入式传感器检测局部放电,并以仿真和试验证明该传感器的检测原理正确,再通过计算和试验得到了传感器的频率响应特性曲线,结果表明,该传感器的检测频带利于检测局放信号,能有效抑制低频干扰,响应高频信号,值得进一步研究和推广。

变压器油击穿电压与电场分布关联性的量化研究

为研究不同电极间隙下变压器油击穿电压与电场分布的关联性,设计了5种不同的电极,在控制变压器油中其他影响因素不变的情况下进行击穿电压试验,与现有国家标准进行对比,验证了试验结果的有效性。通过仿真得到电极间隙中变压器油的电场分布云图,定义了电极间隙内场强超过90%最大场强的变压器油的体积(V_(90))和电极表面场强超过90%最大场强的面积(S90)两个分布特征量来描述电极间隙中变压器油的电场分布,提出了高场强区域在油中的纵深程度和在电极表面上的横向宽度两个概念。结果表明:对于相同的油样和电极间隙,当纵深程度和横向宽度越大时,油样发生击穿的可能性越大,定性解释了等距离下标准板-板电极的击穿电压低于标准球-球电极的击穿电压的现象。在特定电极结构类型下变压器油击穿电压与纵深程度和横向宽度存在近似线性关系,为研究变压器油的击穿特性提供了新的思路。

一种虑及频率影响的缩比船模垂向消磁绕组电感计算方法

当前,在舰船消磁系统设计过程中,消磁绕组的电感一直被视为一个不变的常数,而没有考虑交流激励信号产生的涡流作用将影响消磁系统绕组的配置,进而影响消磁性能。针对此问题,提出了一种基于有限元方法虑及频率影响的缩比船模垂向消磁绕组电感计算方法,通过开展缩比船模的三维涡流场仿真提取了缩比船模垂向消磁绕组的交流电感,给出了其实现步骤,并通过与实测值对比验证了其有效性。

多导体系统中静电场第二类、第三类边值问题的求解方法

静电场的第二类、第三类边值问题中通常给定导体的总电荷量,但由于导体面电荷密度分布未知,无法直接求解电场.本文根据静电场中导体电荷与电位的线性关系,将第二类、第三类边值问题转化为第一类边值问题,从而实现上述问题的求解.在此基础上,以平行双导线系统为研究对象,开展了静电场有限元仿真,验证了所提方法的有效性.