Анализ низкого давления при частичном разряде в микропустотах в авиации

Несмотря на ежегодный выброс авиационной отраслью более 900 миллионов метрических тонн CO2, что составляет 2,5% мировых выбросов парниковых газов, стремительный толчок к электрификации набирает обороты.

Учитывая прогнозируемое удвоение объема воздушного движения каждые 15 лет и ежегодный темп роста в 5%, совместные инициативы правительственных и неправительственных организаций стимулируют исследования и разработки в области электрифицированных технологий. Однако путь к электрификации сталкивается с определенными проблемами, особенно в том, чтобы сделать электрифицированные самолеты финансово конкурентоспособными по сравнению с традиционными аналогами, работающими на топливе.

Путь электрификации представляет собой современные технологии, целью которых является устранение препятствий в ближайшие два-три десятилетия. Ключевой задачей является повышение удельной мощности электрических машин и преобразователей, что имеет решающее значение для экономической жизнеспособности электрифицированных самолетов. Достижения в области силовых электронных преобразователей, использующих полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG), создают новые препятствия, особенно в системах изоляции.

Использование полупроводников WBG подвергает изоляционные материалы воздействию высокочастотных, быстро нарастающих меандровых напряжений, что требует тонкого понимания и уменьшения частичных разрядов. Поскольку отрасль изучает возможность электрификации на больших высотах, воздействие суровых условий окружающей среды становится решающим фактором. Это требует подхода к успешному переходу к более устойчивому и электрифицированному будущему авиации.

Конечно-элементный анализ

Для изучения моделирования частичных разрядов (ЧР) решающее значение имеет понимание механизмов идентификации частичных разрядов. Распространенный тип частичного разряда возникает из-за пустот, образующихся при производстве изоляционных материалов. Из-за более низкой диэлектрической проницаемости эти пустоты, считающиеся слабыми областями, очень чувствительны к ЧР. Возникновение ЧР неразрывно связано с распределением электрического поля в среде. Для возникновения ЧР необходимы два условия: наличие свободных электронов и достаточно сильное электрическое поле. Точная оценка распределения электрического поля, достижимая с помощью численных методов, таких как элементный анализ (FEA), позволяет точно оценить ЧР, что делает FEA ценным инструментом моделирования ЧР.

Возникновение частичного разряда: подтверждение события частичного разряда (ЧР) включает в себя предоставление первоначальных электронов. Возникновение частичного разряда происходит, когда интенсивность электрического поля в заполненных воздухом пустотах превышает критический порог, известный как поле возникновения частичного разряда ( E_inc ). Этот порог, E_inc , представляет собой минимальную величину электрического поля, связанную с максимальной длиной пути разряда в направлении электрического поля.

Затухание ЧР и модельная динамика. Определение продолжительности и расчет величины заряда разрядной активности требует использования критерия времени угасания ЧР. Столкновения между электронами и атомами сохраняются во время активности ЧР до момента, когда электронам не хватает энергии для дальнейшего распространения стримера. Подобно критерию возникновения ЧР, критерий угасания ЧР также является полезависимым условием. На протяжении всей активности ЧР снижение электрического поля внутри воздушного пузыря объясняется более высокой проводимостью полости по сравнению с ее нормальным состоянием. Исследование изменений в скорости, интенсивности и спектре активности частичного разряда имеет решающее значение, особенно в контексте самолетов, находящихся в тяжелых условиях окружающей среды на больших высотах. Среди значительных изменений окружающей среды ключевую роль играет падение давления воздуха, поскольку от давления зависят как поля возникновения, так и поля затухания. Кроме того, на диэлектрическую проницаемость (относительную диэлектрическую проницаемость) влияет давление, что еще больше подчеркивает необходимость всестороннего изучения динамики частичного разряда в этих обстоятельствах.

Алгоритм, используемый при моделировании системы

На рисунке 1 показан процесс моделирования для анализа чувствительности к любому параметру, например давлению. Этот процесс включает оценку влияния давления на случаи частичного разряда (ЧР).

Рисунок 1: Блок-схема моделирования, показывающая влияние давления воздуха на характеристики частичного разряда.

Как показано на блок-схеме, исследованию подвергается ряд уровней давления (ρ ). Для каждого уровня давления (σ _cav ) поле возникновения частичного разряда ( Ε _inc ), электрическое поле затухания ( Ε _ext ) и диэлектрическая проницаемость (ε r) подвергаются обновлениям в соответствии с заранее заданными соотношениями. Перед зажиганием частичного разряда временная область дискретизируется на набор времени ( τ ) с использованием временного шага (ΔtH). Впоследствии модель анализа методом конечных элементов (FEA) запускается в течение этого набора времени, оценивая критерий возникновения частичного разряда на каждом временном шаге (t ) до тех пор, пока критерий не будет удовлетворен. При зажигании ЧР проводимость полости возрастает от близкой к нулю до максимального значения (σ ^max_cav ). Чтобы точно определить время угасания, набор времени корректируется путем добавления экземпляров с меньшим временным шагом (Δ t L). Модель FEA повторно запускается для модифицированного набора времени ( τ -) с первым временным шагом ̃t, после воспламенения частичного разряда, удовлетворяющего критерию затухания, определяющему время затухания частичного разряда. Этот итерационный процесс распространяется на все рассматриваемые давления и реализуется с использованием MATLAB, интегрированного с COMSOL Multiphysicals для моделирования FEA.

Полученные результаты

В исследовании используется установка, состоящая из двух сферических электродов — один служит высоковольтным электродом, а другой — заземляющим электродом, встроенных в цилиндрический блок силиконового геля ( ε = 2,7 при нормальной температуре и давлении). Кроме того, в центре массы цилиндра имеется сферическая полость, заполненная воздухом, как показано на рисунке 2. Геометрическая симметрия позволяет использовать двумерное осесимметричное представление для оценки электрического поля.

Рисунок 2: Сферические электроды, использованные в эксперименте.

На рисунке 3 показаны изменения истинного заряда частичного разряда в зависимости от давления. Истинные значения заряда усредняются для разных времен нарастания (1 нс ~ 1 мкс ). График показывает, что явления частичного разряда на больших высотах имеют повышенную интенсивность. При Ρ = 4 фунтов на квадратный дюйм средняя истинная величина заряда на 11% выше по сравнению сΡ = 14,7 фунтов на квадратный дюйм (уровень моря).

Рисунок 3: Средняя истинная величина заряда частичного разряда в зависимости от давления

Заключение

Проведен эксперимент по изучению проблем перехода на электрифицированные самолеты для декарбонизации в авиационной промышленности. Основная проблема заключается в низкой удельной мощности потенциальных систем, заменяющих традиционные двигатели. Исследование было сосредоточено на пагубном воздействии высокочастотного и быстрорастущего напряжения на силиконовый гель, токоизолирующий материал для силовых модулей. Кроме того, они оценили влияние условий низкого давления, показав, что даже незначительные микропустоты могут способствовать возникновению частичных разрядов.

Эти результаты подчеркивают необходимость усиления систем изоляции и разработки новых материалов для будущих электрифицированных самолетов, подчеркивая их значимость наряду с технологиями, повышающими удельную мощность силового модуля.