航空微孔局部放电低压分析

尽管航空业每年排放超过 9 亿吨二氧化碳，占全球温室气体排放量的 2.5%，但快速推动电气化的势头正在增强。预计空中交通量每 15 年翻一番，年增长率为 5%，政府和非政府组织的合作举措正在推动电气化技术的研究和开发。然而，电气化之路面临着某些挑战，特别是在使电动飞机相对于传统燃油飞机具有财务竞争力方面。

电气化之旅代表了现代技术，其目标是在未来两到三十年消除障碍。一个关键挑战涉及提高电机和转换器的比功率，这对于电动飞机的经济可行性至关重要。使用宽带隙 (WBG) 半导体的电力电子转换器的进步带来了新的障碍，特别是在绝缘系统方面。

WBG 半导体的使用会将绝缘材料暴露在高频、快速上升的方波电压下，因此需要对局部放电有深入的了解和缓解。随着该行业探索更高海拔的电气化，恶劣环境条件的影响成为一个关键因素。这就需要采取一种方法，成功过渡到更加可持续和电气化的航空未来。

有限元分析

为了研究局部放电 (PD) 建模，了解局部放电识别机制至关重要。常见的 PD 类型是由绝缘材料制造过程中形成的空隙产生的。由于介电常数较低，这些空隙被认为是薄弱区域，非常容易受到局部放电的影响。局部放电的发生与介质中的电场分布密切相关。局部放电的开始需要两个条件：提供自由电子和足够高的电场。通过元素分析 (FEA) 等数值方法可以准确估计电场分布，从而实现精确的局放评估，使 FEA 成为局放建模中的重要工具。

PD 初始：局部放电 (PD) 事件的确认涉及提供初始电子。当充满空气的空隙内的电场强度超过称为局放起始场 ( E inc ) 的临界阈值时，就会发生局部放电起始。该阈值E inc表示与电场方向上的最大放电路径长度相关的最小电场强度。

局部放电消光和模型动力学：确定放电活动的持续时间并计算放电活动的电荷量需要使用局部放电消光时间的标准。在 PD 活动期间，电子和原子之间的碰撞持续存在，直到电子缺乏足够的能量来进一步传播流注。与局放起始准则类似，局放消除准则也是场相关条件。在整个局部放电活动中，气泡内电场的下降归因于空腔的电导率高于正常状态。研究局部放电活动的速率、强度和频谱的变化至关重要，特别是在飞机在较高海拔经历恶劣环境条件的情况下。在重大的环境变化中，气压下降起着关键作用，因为起始场和灭绝场都依赖于压力。此外，介电常数（相对介电常数）受到压力的影响，进一步强调了在这些情况下全面探索局部放电动力学的必要性。

系统建模中使用的算法

图 1 显示了对压力等任何参数进行灵敏度分析的建模过程。该过程涉及评估压力对局部放电 (PD) 发生的影响。

图 1：显示气压对局放特性影响的建模流程图

如流程图所示，对一系列压力水平 (ρ ) 进行研究。对于每个压力水平 (σ cav )，局部放电起始场 ( Ε inc )、消光电场 ( Ε ext ) 和介电常数 (ε r) 根据预定义的关系进行更新。在 PD 点火之前，使用时间步 (ΔtH)将时域离散化为时间集 ( τ )。随后，有限元分析 (FEA) 模型针对该时间集运行，评估每个时间步 (t ) 的 PD 起始标准，直到满足标准。PD 点火后，空腔电导率从接近零上升到最大值 (σ max cav )。为了精确确定灭绝时间，通过添加具有较低时间步长 (Δ t L) 的实例来调整时间设置。FEA 模型针对修改后的时间集 ( τ -) 重新运行，第一个时间步长̃t，PD 后点火满足确定 PD 熄灭时间的熄灭标准。该迭代过程扩展到所有考虑的压力，并使用 MATLAB 与 COMSOL Multiphysics 集成进行 FEA 建模来实现。

取得的成果

该研究涉及一种由两个球形电极组成的装置，一个用作高压电极，另一个用作接地电极，嵌入圆柱形硅胶块中（常温常压下ε =2.7）。此外，圆柱体的质量中心有一个球形充气腔，如图 2 所示。几何对称性允许使用 2D 轴对称表示来估计电场。

实验中使用的球形电极