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基于时域BLT方程的带绝缘线缆束场-线耦合模型

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高电压技术 2024年第2期50卷 758-764页

作者：席志豪梁涛谢彦召郭洁西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049 西安交通大学电气工程学院西安710049

为研究外场辐照下复杂线缆系统(多导体、非线性负载、带绝缘层)终端电压/电流时域响应特性规律,提出了复杂线缆束在入射场激励下的终端响应建模方法。研究在时域内重塑多导体BLT方程,在兼顾计算效率、易于向线缆网络扩展的基础上,解决... 详细信息

为研究外场辐照下复杂线缆系统(多导体、非线性负载、带绝缘层)终端电压/电流时域响应特性规律,提出了复杂线缆束在入射场激励下的终端响应建模方法。研究在时域内重塑多导体BLT方程,在兼顾计算效率、易于向线缆网络扩展的基础上,解决了线缆束端接非线性负载的终端时域响应求解问题;并通过引入介质层系数,修正了BLT方程源矢量项,解决了常规BLT方程忽视绝缘层对入射场畸变效应而导致的误差问题。最后,将计算结果同时域有限差分法和有限积分法计算结果进行对比,验证了模型在处理复杂线缆场线耦合问题上的准确性。

关键词：时域BLT方程线缆束场线耦合非线性负载介质层系数

IGBT灌封用苯基改性有机硅凝胶的耐热及介电性能研究

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中国电机工程学报 2024年第14期44卷 5833-5844,I0034页

作者：王争东罗盟王然李梦力周远航成永红西安建筑科技大学机电工程学院陕西省西安市710055 电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 陕西省西安市710049

随着绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)向高电压、大功率化方向发展,其产生的热量和运行温度快速上升,致使其绝缘封装系统失效问题愈发突出。为满足IGBT日益严苛的工作环境,亟需研发一种高性能的有机硅灌封... 详细信息

随着绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)向高电压、大功率化方向发展,其产生的热量和运行温度快速上升,致使其绝缘封装系统失效问题愈发突出。为满足IGBT日益严苛的工作环境,亟需研发一种高性能的有机硅灌封材料。该文通过化学合成制备苯基改性有机硅凝胶(phenyl modified silicone gel,PMSG),研究其耐热和介电性能。结果表明:PMSG失重5%的热失重温度为383℃,室温击穿场强可达32.62 kV/mm,比纯有机硅凝胶(pure silicone gel,PSG)提高17.42%,且150℃击穿场强相较于室温击穿场强仅下降25.38%,展现出更优良的高温耐电特性。同时,其相比于PSG具有更低的介电损耗。因此,PMSG作为IGBT封装材料时,整体性能更加优良。该研究将为IGBT封装用新型高性能绝缘材料的研制提供有效思路和理论基础。

关键词：苯基改性有机硅凝胶绝缘封装热稳定性击穿强度高温耐电

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化研究进展

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高电压技术 2024年第2期50卷 621-633页

作者：武康宁程卓林李柔李建英李盛涛西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化功耗随时间持续降低,完全不同于功耗不断上升的传统老化现象,给基础老化理论和工程应用均带来了巨大挑战。这种反常的老化现象已经超出了经典离子迁移老化理论的范畴,其非阿雷尼乌斯特征也使实际状... 详细信息

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化功耗随时间持续降低,完全不同于功耗不断上升的传统老化现象,给基础老化理论和工程应用均带来了巨大挑战。这种反常的老化现象已经超出了经典离子迁移老化理论的范畴,其非阿雷尼乌斯特征也使实际状态评估和寿命预测难以开展。文中详述了现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化及恢复特征:正向伏安特性在直流老化后存在“交叉”现象;老化过程可逆,试样充分恢复后能达到其未老化状态。离子重排(donorionredistribution,DIR)老化模型可合理解释氧化锌压敏陶瓷的直流老化现象。氧化锌压敏陶瓷的老化功耗取决于界面态消耗与耗尽层离子“U”型分布之间的竞争,前者导致功耗上升而后者有利于功耗降低。稳定型氧化锌压敏陶瓷的势垒界面态在高温、缺氧气氛等条件下不能保持稳定,其原本下降的功耗也能转变为不断上升。此外,广为应用的功耗(泄漏电流)具有显著的电压依赖特性,并不能反映氧化锌压敏陶瓷真实的老化状态,反向老化系数则有望成为一种有效的老化状态表征参数。通过深化现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的老化现象、老化机制及状态评估的认识,本文旨在推进我国高性能氧化锌压敏陶瓷生产制造和高端避雷器发展。

关键词：氧化锌压敏电阻老化过电压保护避雷器状态评估

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氮化硼纳米管表面结构设计及其对环氧复合电介质性能调控机理

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物理学报 2024年第2期73卷 26-37页

作者：任俊文姜国庆陈志杰魏华超赵莉华贾申利四川大学电气工程学院成都610065

向环氧树脂基体中加入纳米填料是实现其多功能化的常用手段,其中拥有一维纳米结构的氮化硼纳米管(BNNTs),因具有超高导热系数、宽能级带隙、高长径比、高力学强度而备受关注.然而,表面惰性、易团聚、与环氧树脂之间界面作用弱等缺点极... 详细信息

向环氧树脂基体中加入纳米填料是实现其多功能化的常用手段,其中拥有一维纳米结构的氮化硼纳米管(BNNTs),因具有超高导热系数、宽能级带隙、高长径比、高力学强度而备受关注.然而,表面惰性、易团聚、与环氧树脂之间界面作用弱等缺点极大地制约了BNNTs进一步应用.基于此,本文提出采用表面包覆介孔二氧化硅(mSiO_(2)),并接枝硅烷偶联剂功能分子的方法,优化BNNTs表面特性.结果表明,通过表面结构设计及功能化,可显著改善BNNTs的分散特性,提升其与环氧树脂的界面作用.以此所制备的环氧复合电介质可实现力学韧性和导热系数的同步提升,并兼具较低的介电常数与损耗.此外,mSiO_(2)独特的纳米介孔结构赋予复合电介质大量的深陷阱,有效阻碍了电子的迁移,进而提高复合电介质的电气强度.本文为环氧树脂的多功能化提供了新思路,亦对揭示纳米填料表面特性-复合电介质微观结构-宏观性能之间的关联关系提供了一定实验数据支撑.

关键词：环氧树脂氮化硼纳米管介电性能界面调控

直流电压下PDMS/SiO纳米复合材料的电荷积聚和输运特性

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中国电机工程学报 2024年

作者：张琛吕泽鹏徐子航曹丹张馨月吴锴电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)

介电弹性体(dielectric elastomers， DE)常与柔性电极配合广泛应用于聚合物换能设备中，低频下会受到高压直流分量的影响。研究DE材料在直流电场作用下的空间电荷积聚和输运过程是掌握实际工况中电场分布进而预防绝缘损伤失效，提高换... 详细信息

介电弹性体(dielectric elastomers， DE)常与柔性电极配合广泛应用于聚合物换能设备中，低频下会受到高压直流分量的影响。研究DE材料在直流电场作用下的空间电荷积聚和输运过程是掌握实际工况中电场分布进而预防绝缘损伤失效，提高换能设备长期运行可靠性的理论基础。该文通过红外光谱，热刺激电流，宽带介电谱，电导测量和直流击穿测试表征了聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane， PDMS)及其纳米复合材料的宏观介电性能；采用电声脉冲法(pulse electroacoustic method， PEA)得到20 kV/mm下不同样品的动态空间电荷分布。结果表明，添加适量的纳米二氧化硅可以有效降低材料低频下的介电损耗和电导率，提高直流击穿场强。较高掺杂浓度 (>2 phr)的复合材料中，经过表面处理的纳米粒子由于疏水基团相互排斥在PDMS中具有更好的分散性，击穿和电导性能仍有所缓慢提升。引入纳米二氧化硅增大了深陷阱电荷量和陷阱密度，降低了PDMS的离子电离率和负载流子迁移率，进一步解释了直流高压下复合材料中的空间电荷积聚得到抑制的现象。

关键词： PDMS/SiO 空间电荷陷阱迁移率电离

聚醚酰亚胺纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运对储能性能的影响

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物理学报 2024年第2期73卷 14-25页

作者：宋小凡闵道敏高梓巍王泊心郝予涛高景晖钟力生西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

目前常见聚合物电介质电容器的储能性能在高温下会急剧劣化,难以满足航空航天和能源等领域的需求.为提高介质高温储能性能,常掺杂纳米填料对电介质改性,通过改变电介质内部陷阱参数来调控电荷输运过程,但其内部陷阱的能级和密度与储能... 详细信息

目前常见聚合物电介质电容器的储能性能在高温下会急剧劣化,难以满足航空航天和能源等领域的需求.为提高介质高温储能性能,常掺杂纳米填料对电介质改性,通过改变电介质内部陷阱参数来调控电荷输运过程,但其内部陷阱的能级和密度与储能性能间的定量关系仍需进一步研究.本文构建线性聚合物纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运的储能与释能模型并进行了仿真.纯聚醚酰亚胺在150℃的体积电阻率和电位移矢量-电场强度回线的仿真结果与实验符合,证明了模型的有效性.不同陷阱参数纳米复合电介质的仿真结果表明,增大总陷阱密度和最深陷阱能级,会降低载流子迁移率、电流密度和电导损耗,提升放电能量密度和充放电效率.在150℃和550 kV/mm外施场强下,1.0 eV最深陷阱能级和1×10^(27) m^(-3)总陷阱密度的纳米复合电介质放电能量密度和充放电效率分别为4.26 J/cm^(3)和98.93%,相比纯聚醚酰亚胺提升率分别为91.09%和227.58%,显著提升了高温储能性能.本研究为耐高温高储能性能电容器的研发提供了理论和模型支撑.

关键词：陷阱能级和密度储能密度充放电效率纳米复合电介质

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脉冲电流对高速冲击下2A10铝绝热剪切带作用规律研究

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电工技术学报 2024年第19期39卷 5937-5946页

作者：胡前程李伟昊李成成陈立李兴文电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安710049

材料在高速冲击下产生绝热剪切带,电辅助电磁成形技术通过在试样变形同时通入电流可增强材料塑性变形能力,但脉冲电流对绝热剪切带的作用规律目前尚不明晰,制约了材料在超高速冲击环境下的应用。该文设计了一种偏轴长杆箍件试样,通过脉... 详细信息

材料在高速冲击下产生绝热剪切带,电辅助电磁成形技术通过在试样变形同时通入电流可增强材料塑性变形能力,但脉冲电流对绝热剪切带的作用规律目前尚不明晰,制约了材料在超高速冲击环境下的应用。该文设计了一种偏轴长杆箍件试样,通过脉冲功率源和电磁斥力盘开展了2A10铝合金在极端多物理场环境下即电流密度为10^(8)~10^(9) A/m^(2),应变率≥10^(4)/s的动态变形特性研究。对试样进行金相处理后可观测到材料微观特征的演化过程,对比不同条件下微观特征分布得到了极端多物理场条件下电流密度对材料动态变形的作用规律。结果表明,施加电流后裂纹和绝热剪切带的长度减少,且长度随电流密度增大而逐渐减少。

关键词：超高速冲击电流密度绝热剪切带裂纹

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质子交换膜燃料电池退化预测方法

电工技术学报 2024年第11期39卷 3367-3378页

作者：汪建锋王荣杰林安辉王亦春张博集美大学轮机工程学院厦门361021 电工材料电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安710049

耐久度是制约质子交换膜燃料电池大规模应用的主要障碍之一,性能退化预测技术可以有效提高质子交换膜燃料电池的耐久度。该文提出一种结合小波阈值去噪方法的正则化堆叠长短期记忆网络的性能退化预测方法。通过小波阈值去噪法,获得消除... 详细信息

耐久度是制约质子交换膜燃料电池大规模应用的主要障碍之一,性能退化预测技术可以有效提高质子交换膜燃料电池的耐久度。该文提出一种结合小波阈值去噪方法的正则化堆叠长短期记忆网络的性能退化预测方法。通过小波阈值去噪法,获得消除噪声和尖峰后的平滑数据。针对退化数据不确定性和高度非线性导致的特征难以提取问题,引入了正则化堆叠长短期记忆网络模型,该模型通过引入参数优化算法有效地避免了过拟合风险,提高了预测精度和可靠性。为验证该方法的有效性,采用两种不同工况下的质子交换膜燃料电池老化数据进行验证。结果表明,所提方法在稳态工况下的最大误差为0.0163V,误差区间在0.5%以内;动态工况下的最大误差为0.0064 V,误差区间在0.2%以内。

关键词：质子交换膜燃料电池性能退化预测小波阈值去噪长短期记忆网络

直流电缆用交联聚乙烯绝缘的击穿概率及其尺度效应仿真

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电工技术学报 2024年第4期39卷 1172-1184页

作者：朱敏慧闵道敏高梓巍武庆周电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安710049 中国工程物理研究院流体物理研究所绵阳621900

电力电缆在远距离大容量电力传输和海上风电并网中起着极其重要的作用。受直流电场影响,交联聚乙烯(XLPE)电缆存在着空间电荷积聚和电荷能量积累现象,导致绝缘材料被击穿而引发故障。该文建立电荷输运与分子链位移击穿模型,对XLPE介质... 详细信息

电力电缆在远距离大容量电力传输和海上风电并网中起着极其重要的作用。受直流电场影响,交联聚乙烯(XLPE)电缆存在着空间电荷积聚和电荷能量积累现象,导致绝缘材料被击穿而引发故障。该文建立电荷输运与分子链位移击穿模型,对XLPE介质中载流子输运和能量积累过程进行了仿真,得到XLPE特征击穿场强-试样厚度依赖特性以及击穿概率分布。仿真结果表明,XLPE直流击穿场强受尺度效应影响明显,击穿场强随着试样厚度的增加而减少,且击穿强度概率计算结果服从威布尔分布。建立电荷输运随机变量参数分散性与击穿概率分布的定量关系。随着试样厚度的增加,绝缘材料内部的缺陷分散性增加,电荷输运随机变量参数高斯分布中的方差增加,击穿威布尔分布形状参数减小。陷阱能级是影响击穿威布尔分布形状参数的最关键因素。该研究为电力电缆的优化设计和可靠性评估提供了仿真技术支撑。

关键词：交联聚乙烯空间电荷威布尔分布尺度效应陷阱能级