考虑介质介电驰豫影响时瞬态电场计算的时域有限元法

摘要

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。