能源互联网是未来电力系统的重要形态。构建状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的能源互联网,重点在于实现能量流与信息流互联互通。能源路由器可实现分布式能源并网接入、交直流电网互联、负荷潮流实时调节,是构建能源互联网的关键装备。而高频电力变压器作为能源路由器的核心部件,是实现能源互联网电能灵活高效变换的关键所在。高频电力变压器主要采用空气-聚酰亚胺(Polyimide,PI)绝缘系统,由于其体积小,结构紧凑,长期承受上升时间短、幅值大的高频电应力,运行环境较传统变压器更为恶劣,更容易在绝缘薄弱处诱发沿面放电,进而造成聚酰亚胺绝缘在高频强场下老化甚至过早失效,且随着变压器容量和电压等级的提升,绝缘问题更加突出,严重制约了高频变向高电压、紧凑型、高功率密度和大容量化方向发展。当前,沿面放电已成为导致高频电力变压器气-固绝缘系统失效的主要原因之一,但针对沿面放电发展机制及其仿真模型构建的研究仍不完善。为研究针-棒电极结构下空气-聚酰亚胺绝缘沿面放电发展过程,本文基于流体动力学理论,通过对粒子输运方程、动量方程、能量方程、泊松方程以及等离子化学反应的耦合表征,充分考虑材料表面反应以及高能粒子撞击材料表面导致的二次电子发射过程,建立了脉冲电应力下针-棒电极结构空气-聚酰亚胺沿面放电等离子体模型。该模型采用反应集方法简化空气放电过程中涉及的数百种粒子反应,使模型复杂程度大幅降低。此外,采用对数形式有限元法求解所建模型,避免了求解过程中粒子密度出现负值的不合理情况,实现了沿面放电模型的准确高效求解。基于建立的针-棒电极结构1 cm间隙沿面放电非平衡等离子体模型,模拟了脉冲电应力作用下沿面放电动态演化过程,研究了绝缘材料表面电场与电荷等微观参量的时空分布规律。负极性单脉冲作用下的仿真结果表明,沿面放电过程包含电子崩、电子崩向流注转化以及流注发展三个阶段;放电首先出现在针电极附近,并逐渐向地电极发展,最终在两电极间形成贯穿性放电通道;空间电荷量整体呈增大趋势,且主要集中在流注头部,而流注通道内部电荷量很少;绝缘介质表面积聚负极性电荷,随着沿面放电发展,电荷分布范围由针电极向地电极延伸,且平均累积电荷量及累积速率不断增加,与表面电荷的实验测量结果相符合;因空间电荷和表面电荷的存在,沿面流注发展阶段绝缘材料表面电场分布呈现“两峰夹一谷”形态;沿面放电发展速度随放电通道前方切向电场强度增大呈指数规律增大,放电发展后期达106 m/s量级。进一步研究重复脉冲作用下沿面放电发展过程,发现重复脉冲作用下沿面放电发展走势与单脉冲下几无差别,放电均首先出现在针电极附近,并逐渐向地电极发展,最终等离子体通道贯穿两电极;然而重复脉冲下放电发展时间与脉冲重复频率呈“u”形曲线关系——随脉冲重复频率升高,放电发展时间先下降后上升,存在拐点,且拐点随施加脉冲电压峰值升高向高频方向移动。在正确建立及准确求解模型的基础上,进一步探究外界环境因素及绝缘材料特性对空气-聚酰亚胺沿面放电发展过程的影响,结果表明:沿面放电发展速度随温度升高而增大,随气压增大而减小;材料表面二次电子发射系数越大,沿面放电发展速度越快,表面电荷积聚越严重。因此,为有效抑制沿面放电产生和发展,高频变压器实际运行中应及时散热、增大气压;高频绝缘设计应优先考虑二次电子发射能力较弱的绝缘材料,或者通过表面改性等手段减小绝缘材料二次电子发射系数,以提升材料高频绝缘性能。