场路结合模型法中非线性磁网络方程组的解法

场路结合模型法是电机理论中一种重要的研究方法。目前，在求解场路结合模型方法中的非线性方程组时，主要沿用有限元法中的一些迭代方法。文中指出、这类方程组具有变系数线性方程组的形式，从而可直接构造迭代格式，并证明了迭代的收敛性。     

场路结合模型洁中非线性磁网络方程组的解法

场路结合模型法是电机理论中一种重要的研究方法。目前，在求解场路结合模型方法中的非线性方程组时，主要沿用了有限元法中的一些迭代方法。文中指出，这类方程组具有变系数线性方程组的形式，从而可直接构造迭代格式，并证明了选代的收敛性。     

钛酸铜钙-氮化硼掺杂EPDM复合介质的电学和力学性能研究

非线性电导材料的应用是解决高压直流电缆附件内部电场集中问题的一种有效方案。因此,通过掺杂钛酸铜钙(calcium copper titanate,CCTO)纳米填料对三元乙丙橡胶(ethylene-propylene-diene monomer,EPDM)进行改性,在较低的掺杂体积分数(2%CCTO)下,复合介质展现出较好的非线性电导率;当掺杂10%CCTO时,非线性系数可达到5.40。但同时发现,高掺杂含量复合介质的击穿场强劣化严重。基于此,选择具有良好绝缘及导热特性的六方氮化硼(boronnitride,BN)与CCTO共同掺杂至EPDM中,研究发现,共掺杂复合介质的击穿场强有明显改善,φ=10%CCTO/ω=9%BN/EPDM的特征击穿场强为90.1 kV/mm(φ为体积分数,ω为质量分数),相比10%CCTO/EPDM(66.3 kV/mm)提高了35.9%,此时,共掺杂复合介质仍然表现出明显的非线性电导特征。此外,探讨了温度对复合介质非线性电导和击穿特性的影响,并对掺杂复合介质的力学性能进行测试分析,研究发现,2种无机填料的掺杂对EPDM力学性能的改善效果较为显著,随着CCTO掺杂含量增加,复合介质的拉伸强度以及断裂伸长率逐渐增加。     

无机微米填料改性聚酰亚胺复合材料非线性电导特性

为了使得在空间环境下航天器介质材料所积累的空间电荷能及时释放,采用向聚酰亚胺(PI)基体中添加微米级粉末改性方法,制备了一种改性后的具有非线性电导特性的新型PI复合材料。并利用电导测试系统且采用逐步升压的方法对该PI复合材料进行非线性电导测试研究。研究结果表明:在电场强度为1.93×107 V/m时,改性后的PI复合材料电阻率能降低至1014?·cm数量级;改性后的PI复合材料非线性电导率阈值场强比未改性的材料降低了50%,非线性电导特性较好;对改性后的PI复合材料非线性电导机理进行了探讨,认为由于改性剂的加入,使得材料内部载流子数密度提高,当电场强度达到一定条件时由于隧道效应而形成宏观上的非线性电导现象。由此可得,改性后的PI复合材料有着优良的非线性电导特性,有利于快速释放掉空间环境状态下介质所积累的空间电荷。     

非线性电导聚合物材料研究进展

空间复杂辐射环境料可以保证正常情况(弱带电时)下的高绝缘性能，又能在高场强下以暂态高电导释放介质内部危险电下，高能带电粒子引起的航天器介质深层充放电效应是导致航天器故障的主要因素之一。研究表明，具有非线性I-U特性的复合材料可有效抑制航天器介质深层充放电。为此分析了非线性电导复合材料用于抑制航天器介质深层充放电的可行性，并从导电机理、改性方法、应用现状等方面阐述研究进展，并对非线性电导航天器介质的发展方向进行展望。分析结果表明：复合材料的非线性电导受多种电荷输运机制影响，非线性电导复合材料的制备工艺逐渐完善，并实现了从简单材料制备向仿真计算、空间环境地面模拟试验的突破。下一步的研究重点在于空间环境下的导电机理，材料制备和仿真计算、试验的协同性，仿真模型和多源模拟试验条件的优化。     

聚合物介质材料的非线性电导改性工艺与机理分析

对有机介质材料进行非线性电导改性,有利于在较低静电场下以非脉冲放电方式释放掉介质内部极可能导致脉冲放电的危险静电荷,有可能成为空间介质内带电防护的主流方法。采用一种微米级无机粉料对聚酰亚胺（PI）、聚四氟乙烯（PTFE）和环氧树脂（ER）3种航天器常用聚合物介质材料进行非线性电导率改性,并对改性工艺和机理进行了研究和分析。结果表明,添加剂含量对PI和PTFE的影响主要是非线性电场强度阈值,而对ER主要影响非线性电导特性曲线的陡度。     

HVDC电缆电场分布影响因素的仿真研究

电场分布是决定电缆绝缘短时耐压能力和长期运行可靠性的关键因素。HVDC电缆稳定运行时,绝缘材料的电导率决定电场分布,在较高温度梯度分布下有可能出现电场分布翻转现象。由于电缆绝缘材料的非线性电导率是温度及电场的函数,在投入运行和电压极性反转时HVDC电缆暂态电场分布更为复杂。为此,采用多物理场耦合软件仿真研究了绝缘材料非线性电导属性对不同温度梯度、不同施压方式下电缆绝缘稳态和暂态电场的影响规律。仿真结果发现:当绝缘材料非线性属性确定,绝缘内温度梯度越高,稳态时电场分布翻转现象越严重;电压反转过程暂态电场最大值与电压极性反转时间密切相关,反转时间越短暂态最大电场越高,且暂态最大电场的位置越靠近导体屏蔽。仿真结果同时表明:降低材料电导活化能和提高材料电导率对电场依赖性有利于在温度梯度下对电缆绝缘稳态和暂态电场分布的控制。根据仿真研究结果,建议在HVDC电缆料研发时应采取有效的调控手段降低材料电导活化能和提高场致增强型电导的场强依赖系数;而在HVDC电缆设计时,要特别关注温度梯度效应和极性反转过程中的暂态电场分布问题。     

压敏陶瓷-硅橡胶复合材料的非线性压敏介电特性

开展兼具非线性电导和介电特性的复合材料的理论基础和应用研究,有助于更有效、广泛地解决高电压等级电力系统绝缘设备或部件电场分布不均匀的难题。为此,制备了ZnO压敏陶瓷-硅橡胶复合材料并测量了其非线性压敏介电特性。结果表明:制备的复合材料具有良好的分散性和非线性电导及介电特性;当ZnO压敏陶瓷填料体积分数10%时,复合材料可以表现出明显的非线性介电特性,可以起到更显著的电场均匀作用;当ZnO压敏陶瓷填料体积分数20%时,复合材料呈现出明显的非线性电导特性,电导非线性系数可以达到10以上,当电场强度超过压敏电压梯度时电导率可以提高100倍以上,而电场强度达到1.5倍压敏电压梯度时,可在对不均匀电场起抑制作用的同时,避免较大的损耗。     

复合绝缘非线性电场的有限元迭代计算

直流稳态和极性反转是换流变压器阀侧套管出线装置复合绝缘的典型运行状态,且绝缘介质具有较强的场变、温变非线性,因此温度梯度下,其电性能参数的改变将影响复合绝缘的直流稳态和极性反转电场。该文将有限元法用于定量分析电场、温度两个非线性因素对电场分布的影响。通过试验确定单一绝缘介质电导率与场强、温度的非线性函数关系。提出计及场强、温度非线性的有限元迭代算法,并通过存在解析解的同轴绝缘结构验证该算法的准确性。建立了-400 kV换流变压器出线装置复合绝缘结构全模型,分析了场强、温度对其直流稳态场、极性反转瞬态场的影响规律。结果表明,线性与非线性条件下得到的电场分布规律存在一定差异,且场变非线性对局部高场强区域有一定的抑制作用,而温变非线性可使高温区场强降低,低温区场强升高。在极性反转过程中,温变非线性可使复合绝缘出现畸变较严重的局部高场强区。该文提出的非线性电场有限元迭代算法及电场模拟结果可为换流变压器出线装置的设计提供参考。     

电导及介电自适应调控的复合绝缘材料及其应用

非线性复合绝缘材料有助于解决电力系统绝缘设备或部件电场分布不均匀的难题。为此介绍了Zn O压敏陶瓷微球及其复合绝缘材料的制备方法,实现了同时具有非线性电导特性和非线性介电特性随外加电场而自适应变化的复合材料。材料的非线性特性主要由压敏微球填料决定,而对于绝缘材料基体的要求较为宽松;当材料中的压敏微球体积分数超过30%时,复合物具有很好的非线性特性,其电导非线性系数可达到16.9而介电常数也能够比线性区增加5倍以上;材料的压敏电压也能够根据填料体积分数进行一定范围内的调节。采用非线性电导特性和非线性介电特性的复合材料取代传统电缆附件中控制电缆接头电场应力的压控管和应力锥的材料对电场的应力控制效果更好,对于110 k V的交流电缆终端内电场分布的仿真计算表明,在应力锥绝缘部分采用非线性材料能够将关键位置处的场强从采用固定材料时的4.7 k V/mm降低至2.2 k V/mm以下,并且材料的电导率越大、非线性系数越大时,均匀场强的效果越好。     

金属管道外侧脉冲磁场激励的线圈电压解析式

求解了线性导电、导磁中空管道外鞍形线圈通有脉冲电流时的涡流场。引入二阶矢量位,用一个标量函数来描述空气场域中的磁场,简化了求解过程。给出了模型的电磁场边值问题,得出了待定系数线性方程组,通过变量代换,降低了系数矩阵的条件数,并用分块矩阵的方法求解了此方程组。利用傅里叶变换,得到了多匝鞍形激励线圈中通有任意波形电流时检测线圈两端感应电压的解析式。通过与奥氏体不锈钢管的实验曲线对比,验证了所得解析式的正确性。所得结果可为管道脉冲涡流检测的仿真计算与实验研究提供参考。     

用于迭代法潮流计算的改进Jacobi预处理方法

为提高潮流计算速度,满足实时计算的要求,线性方程组迭代法被用于电力系统潮流计算。但是当系数矩阵谱分布较为分散时,迭代法求解线性方程组存在收敛速度慢甚至不收敛等问题,为了解决这个问题,需对系数矩阵进行预处理。首先,分析电力系统潮流计算时Jacobi矩阵的特点,对其按PV,PQ节点进行分块处理,找出其中数值上较大的元素作为预处理子。然后,将预处理子的逆矩阵分别与系数矩阵A和常量项b相乘,将原线性方程组转换为新的更容易求解的等价线性方程组,大幅提高了潮流计算中线性方程组求解的速度。实验表明,该方法能有效解决大规模电网潮流求解问题。     

A simulation tool for the analysis and verification of the steady state of circuit designs

Analogue and microwave design requires accurate and reliable simulation tools and methods to meet the design specifications. System properties are often measured in the steady state. Well-suited algorithms for calculating the steady state can be classified into shooting methods, finite difference methods and the harmonic balance (HB) technique. Harmonic balance is a frequency domain method which approaches the problem of finding the steady state by a trigonometric polynomial. Depending on the size of the circuit and the number of Fourier coefficients of the polynomial, the resulting system of non-linear equations can become very large. These non-linear equations are solved by using Newton's method. The sparse linear system arising from Newton's method can be solved by direct, stationary or non-stationary iterative solvers. Iterative methods are normally easy to parallelize or vectorize. In this paper a tool for the simulation of the steady state of electronic circuits is presented. the steady state is calculated using the harmonic balance technique. Non-linear equations are solved by Newton's method and linear equations by preconditioned non-stationary iterative solvers (CGS, Bi-CGSTAB, BiCGSTAB(2), TFQMR). the run time is reduced dramatically, by up to an order of magnitude.     

A space-domain preconditioned spectral method for non-linear boundary value problems

A novel spectral procedure for the numerical solution of non-linear boundary value problems is presented. The discrete spectral equations are solved by an iterative algorithm using space-domain preconditioning. The preconditioning operator is obtained by spatial weighting (or windowing) of the exact differential operator. Convergence behaviour of the iterative solution is investigated using an eigenvalue analysis. Theoretical estimates for the convergence rate and accuracy are compared with that achieved in a numerical application—a non-linear boundary value problem from semiconductor device modelling. The method combines the infinite-order exponential accuracy of spectral discretizations with the sparse structure of finite difference equations. This offers numerical advantages in comparison to previously developed Fourier–Galerkin algorithms, particularly important for physically ill-conditioned and strongly non-linear problems. The tradeoff of achievable accuracy versus computer time is easily controlled, thus making essential speed-ups possible for moderate accuracy requirements.     

采用混合单元的汽轮发电机定子 温度场的分析与计算

为了提高大型汽轮发电机温度场计算的精度,提出采用混合单元(混合坐标系)计算电机温度场的方法。根据传热学和流体力学的基本原理,建立汽轮发电机定子三维温度场的数学模型;采用热平衡原理对定子温度场的偏微分方程进行离散化处理,形成电机的等效热网络。给出采用混合单元对电机进行网格划分的方法,并推导了不同坐标系下热导的求解方法,进而给出采用等效热网络方法求解定子温度场的非线型方程组。将其应用于一台QFSN-200-2型汽轮发电机定子温度场的计算,并将计算结果与实测值进行了比较,结果表明所提出的方法是正确可行的。     

Numerical solution of inhomogeneous and non-linear ordinary differential equations using the TLM multicompartment model

The paper presents a simple algorithm for solving a system of inhomogeneous high order differential equations with variable coefficients. The method also provides a numerical solution to non-linear ordinary differential equations. The technique is based on reducing the high order equations into a system of first order rate equations. Through a simple translation process, the variables in the reduced set of equations are solved simultaneously by an iterative scheme using the TLM multicompartment model. The numerical technique is demonstrated by solving well-known second order differential equations. The numerical solutions are compared with the analytical solutions to the differential equations.     

高压直流单极离子流场的有限元迭代计算

采用有限元方法对HVDC单极离子流场进行迭代求解,在采取一定近似条件的情况下,将描述高压直流线路周围场分布的三阶非线性偏微分方程分解为对泊松方程和电流连续性方程的分别求解。在给定空间电荷密度初值后,不断迭代求解并根据每一步结果对空间电荷密度修正直至收敛。讨论了计算中需要考虑的若干问题,舍弃了Deutsch假设,并用更符合实际的导体表面场强经验公式代替Kaptzov假设,提出一种空间电荷密度更新公式。最后用具有解析解的同轴圆筒电极问题对该算法进行了验证,并与相关HVDC模型实验数据进行比较,得到了较满意的结果。该方法可适用于HVDC单极离子流场的计算分析。     

直接计算动态电压稳定Hopf分岔点的方法

对于一个n维电力系统,若用直接法求解Hopf分岔点,需要解1个3n+2维的方程组,计算量大,易陷入维数灾。该文提出一种降阶求解动态电压稳定Hopf分岔点的新技术,其特点是将直接法的3n+2维牛顿迭代方程组降为n+2维线性方程组求解。与传统直接法相比,该方法计算量小,适用于大型电力系统动态电压稳定的分析计算。2个典型电力系统动态模型的算例验证了其可行性和高效性。     

Power system state estimation using a direct non-iterative method

This paper describes a new method for state estimation of a non-linear AC power system in a non-iterative manner. This method is based on the Kipnis–Shamir relinearization technique that is used to solve over-defined sets of polynomial equations. The technique transforms the equations to a higher dimensional linear space which allows the states to be solved in a non-iterative manner. Given accurate measurements, this new state estimation method provides the same results as traditional iterative state estimation methods, and the proposed method does not require an initial guess of system states nor does it have issues with convergence.     

感应线圈炮性能的场路结合分析

线圈炮性能分析对于线圈炮的实验研究和电磁结构优化非常重要。本文使用电流丝模型对线圈炮进行路仿真,电流丝模型将线圈炮控制方程归结为非线性变系数常微分方程组的初值问题,路模型易于编程实现,从中可发现系统性能对可变参数的依赖关系。使用组合网格法建立线圈炮场模型,组合网格法使用两套相互独立的网格对场域进行离散,克服了常规有限元法在处理运动电磁问题上需要重剖分的麻烦。文中使用路模型和场模型相结合的方法对三级同轴感应线圈炮进行了仿真,实现了对线圈炮这类复杂的运动导体涡流场的三维场分析,获得了线圈炮发射过程中空间磁场分布和电枢涡流分布。通过对比两种模型的仿真结果,证实了它们的一致性和有效性。