非线性绝缘介质交变电场激励下介电特性的仿真分析

论文摘要

与广义电介质相比,有“智能绝缘材料”之称的非线性绝缘电介质具有随场强变化的电导率或（和）相对介电常数。它们的广泛应用极大地提高绝缘结构的性能。例如,应用于电机线棒端部防电晕结构中、配电电缆绕包型终端中、超高压直流电缆以及特高压直流套管等的绝缘结构中。为此,对聚合物基无机半导体颗粒填料添加的非线性绝缘介质的研究得到重视。本文在采用MATLAB实现椭球形无机填料颗粒在聚合物基体内随机分布,用COMSOL软件建立有限元电场仿真分析模型的基础上,对非线性绝缘介质在交变电场激励下进行有限元仿真分析。本文产生的仿真模型是可控的,可控参数包括:立方体基体区域边长、椭球形颗粒数目、椭球形颗粒形状尺寸参数（半轴a、b、c）以及椭球形颗粒两个空间取向角度。通过仿真分析了如上所述各填料颗粒形态参数以及外施的交变激励特性对非线性绝缘介质复合材料电导率与介电常数的影响。研究发现:掺量逐渐增加时,其电导率及其非线性系数随之而增大,其相对介电常数也会随之增大,填料颗粒掺量越大的模型其ε-E特性曲线上升越快;在0°/0°、0°/45°、0°/90°这三组空间取向角度控制中,分布0°/45°的电导率最大且非线性明显,而相对介电常数是随着长轴与XOY面的角度增大而增加的,取向均匀分布的电导率与相对介电常数高于取向正态分布的;随着粒径比值的增加复合材料的电导率反而减小,其非线性系数也是逐渐减小的,相对介电常数却是增加的,且粒径比值较大的复合材料体系的ε-E特性曲线上升较快。在交变激励的频率一定时,幅值越高,交流等效电导率和介电常数越大,电导率和介电常数随电场的变化越快;当所施加的激励幅值一定时,随着其频率的增加,复合材料的交流等效电导率明显增加,其介电常数也有所增加,但两者的增加速率明显下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 非线性绝缘介质的介电特性研究现状
• 1.2.1 非线性绝缘介质电导特性研究现状
• 1.2.2 非线性绝缘介质介电常数研究现状
• 1.2.3 非线性绝缘介质仿真研究现状
• 1.3 均匀交变电场下非线性绝缘介质表征
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 非线性绝缘介质有限元仿真模型的建立
• 2.1 COMSOL 简介
• 2.2 非线性绝缘介质电场计算模型
• 2.2.1 椭球颗粒投放原则及有效性判别
• 2.2.2 COMSOL 中非线性绝缘介质模型建立
• 2.3 基于最小二乘法响应电流分解的基本思想
• 2.4 本章小结
• 第3章 颗粒对复合材料介电特性影响的仿真
• 3.1 填料颗粒掺量的影响
• 3.2 填料颗粒空间取向的影响
• 3.3 填料形状尺寸参数的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 交变激励特性对复合材料介电特性影响的仿真
• 4.1 交变激励幅值影响的仿真分析
• 4.2 交变激励频率影响的仿真分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢