电场约束法煤巷综掘超前探测数值模拟研究

为探测掘进前方隐伏的含水构造,预防地质水害,解决煤巷综掘过程中日益突出的"探、掘"矛盾,论文提出和研究电场约束法煤巷综掘探测方法.该方法利用电场同性相斥的原理,使发射电场被约束在一定范围内,达到定方向定距离探测的目的.根据该方法基本原理,建立超前探测有限元仿真模型,开展相应的数值模拟.论文主要从探测基本方法,激发极化程度、异常体的体积大小及巷道内金属体对于超前探测的影响展开模拟研究.结果表明,该方法可以有效探知掘进面前方的含水地质异常,其探测有效距离约为10m.该研究为电场约束法煤巷综掘超前探测方法的实现奠定了理论基础,对综掘超前探测技术的发展具有重要的推动作用.

高压直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环设计

换流阀是高压直流换流站的核心装备,高电位区导体及绝缘子表面电场计算是实现小安全裕度下换流阀绝缘优化设计的关键。将换流阀内典型结构,如绝缘子、晶闸管等,简化为二维模型,在二维场中直接进行电场计算,可实现电场的准确快速计算。通过对二维、三维算例进行电场计算,证实了边界电场约束方程计算电场的精度在二维场中高于ANSYS的计算精度。因此在二维轴对称场中应用该方法对某换流阀绝缘子进行了表面电场计算及均压环设计,使绝缘子金具表面电场由7.55 kV/mm降为2.87 kV/mm,绝缘子表面电场由1.93 kV/mm降为0.9 kV/mm。最后,应用ANSYS软件在三维复杂模型中对均压环尺寸进行校验计算。文中工作为直流换流阀用绝缘子表面电场计算及均压环优化设计提供了一种可靠、实用的计算方法。

复合绝缘结构中瞬态电场计算的复频域有限元法

随着电力电子器件和装备在电力系统中的广泛使用,器件和装备自身由多种绝缘材料构成的复合绝缘结构往往承受着正极性周期方波电压。在这种非正弦周期电压激励下,复合绝缘结构中的瞬态电场分布满足电准静态场条件。由于界面电荷的弛豫现象,复合绝缘结构中的瞬态电场在经过一段过渡过程后,最终达到非正弦周期稳态。现有基于傅里叶(Fourier)变换的频域有限元法只能得到非正弦周期激励下的周期稳态解,无法获得其瞬态响应。为此,文中综合考虑复合绝缘结构中的电荷弛豫,在电准静态场条件下,基于数值拉普拉斯(Laplace)变换的直接算法,提出复频域有限元法,推导复频域边界电场约束方程。此外,还提出数值Laplace变换直接算法中衰减系数的选取公式,实现了高精度的数值Laplace变换及其反变换。数值计算结果表明,所提的复频域有限元法能有效计算非正弦周期激励下的过渡过程,同时还可以计算由初始状态引起的零输入响应。所提方法为周期激励下复合绝缘结构的瞬态电场计算提供一种新方法。

压接型IGBT子模组在关断过程中的电场瞬态特性分析与调控

封装绝缘问题是压接型IGBT器件研制过程中面临的关键挑战之一,解决绝缘问题的关键是准确分析器件内部复合绝缘结构在运行工况下的电场分布特性。现有研究多在静电场或恒定电场下分析其静态电场特性,忽略了其在实际工况下的电场瞬态特性。针对刚性压接型IGBT器件,考虑到直流断路器用压接型IGBT面临的单次关断的实际工况,在电准静态场条件下,该文采用瞬态边界电场约束方程,准确计算压接型IGBT子模组复合绝缘结构中的瞬态电场,获得器件内部不同介质交界面上的界面电荷密度,详细分析瞬态电场的时空分布特性。在此基础上,该文从子模组的绝缘结构和封装绝缘材料参数两方面对子模组的瞬态电场进行调控,结果表明,该文所提控制方法能显著降低绝缘薄弱环节处的电场强度。

考虑介质介电驰豫影响时瞬态电场计算的时域有限元法

在电力装备的实际运行过程中,可能遭受诸如操作冲击电压、雷电冲击电压等瞬态电压激励的作用。此外,随着电力电子器件在直流输电装备中的大规模应用,装备内部器件的绝缘结构承受的电压不再是传统的交流电压或直流电压,而是正极性重复性方波电压。为了研究这些装备或器件内的绝缘结构在瞬态电压激励下的电场特性,需要在电准静态场下计算其瞬态电场分布。在交变电场中,绝缘材料具有介电弛豫现象,其介电常数在频域上为频变函数。由于瞬态电压激励时间短、变化快,对应的频谱宽。因而,瞬态电压激励下的瞬态电场计算需要考虑材料的介电弛豫特性。为此,该文提出了考虑介质介电弛豫过程的时域有限元法。首先,将材料的介电弛豫现象用时变的介电参数表征,对含时变介电参数的电准静态场控制方程进行时空离散,推导了时域有限元方程和边界电场约束方程;然后,通过对比PEEK材料极化电流的实验测量结果与计算结果,验证了所提方法的有效性;最后,分析了瞬态电压激励下考虑材料介电弛豫特性的复合绝缘结构的瞬态电场分布特性。

综合改善微细电解加工精度的工艺研究

电解加工的阳极电化学溶解原理使其在微细加工领域具有巨大的发展潜力,但杂散腐蚀和流场条件恶劣制约加工精度的提高。分析了影响微细电解加工的主要因素,提出综合改善微细电解加工精度的工艺途径。理论分析和实验研究均表明:将LIGA工艺制备高质量微细阵列电极、电极侧壁绝缘、高频脉冲电流及非线性电解液加工、电极间歇回退伺服控制等方法有机结合,能有效约束电场、改善流场,提高微细电解加工的精度。