Электрические поля: 1.2. Электрическое поле

Белорусский государственный университет транспорта — БелГУТ (БИИЖТ)

Регистрация на конференцию ИТЭС

Регистрация на конференцию «Актуальные проблемы теории и практики современной науки»

Регистрация на конференцию «Архитектура и строительство: традиции и инновации»

Как поступить в БелГУТ

Как получить место

в общежитии БелГУТа

Как поступить иностранному гражданину

События

Все события

Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
	1	2	3	4	5 Дата : 2022-11-05	6 Дата : 2022-11-06
7	8 Дата : 2022-11-08	9	10	11	12 Дата : 2022-11-12	13
14	15	16 Дата : 2022-11-16	17 Дата : 2022-11-17	18	19 Дата : 2022-11-19	20
21 Дата : 2022-11-21	22	23	24 Дата : 2022-11-24	25 Дата : 2022-11-25	26 Дата : 2022-11-26	27
28 Дата : 2022-11-28	29	30

Все анонсы

• V Международная научно-практическая конференция ст. ..
• I международная научно-техническая конференция сту…
• Набор в Студенческий совет БелГУТа …
• Кастинг видеоблогеров, теле- и радиоведущих…
• Билеты на премьерный спектакль «451° по Фаренгейту…
• Республиканская викторина «Я хочу быть таможеннико…
• Финал игр спартакиады по мини-футболу…
• ПРОГРАММА. XII Международная научно-практическая к…
• Приглашаем в бассейн
• Олимпиада по высшей математике для студентов…

Анонсы

Университет

Абитуриентам

Студентам

Конференции

Приглашения

V Международная научно-практическая конференция ст…

I международная научно-техническая конференция сту…

Набор в Студенческий совет БелГУТа …

Кастинг видеоблогеров, теле- и радиоведущих…

Новости

Университет

Международные связи

Спорт

Воспитательная работа

Жизнь студентов

Новости подразделений



• Университет

БелГУТ среди лучших в лекторском мастерстве!. ..
28 ноября 2022

• Спорт

Финал соревнований по мини-футболу
28 ноября 2022

• Студенческая жизнь

Студенческий совет БелГУТа на I Форуме студенческих советов Гомельской…
28 ноября 2022

• Университет

Профориентационная работа в Гомельском и Брестском колледжах…
27 ноября 2022

• Университет

79 лет освобождения Гомеля. Митинг у Вечного огня…
27 ноября 2022

• Студенческая жизнь

Молодежь БелГУТа и СамГУПСа — обмен опытом…
25 ноября 2022

• Студенческая жизнь

Активисты БРСМ БелГУТа на открытом диалоге «Нам мир завещано беречь». ..
25 ноября 2022

• Воспитательная работа

Митинг в Гомельском колледже-филиале БелГУТа…
25 ноября 2022

• Университет

Круглый стол «Об изменениях Закона Республики Беларусь «О железнодорож…
25 ноября 2022

Другие новости

• Митинг на «Аллее героев»
• Работа секции № 5 «Безопасность транспортной инфраструктуры»…
• Работа секции № 6 «Надежность и безопасность зданий и сооружений»…
• XII Международная научно-практическая конференция «Проблемы безопаснос…
• Студенты читают свои стихи, посвященные Дню освобождения Гомеля…
• Открытый диалог в канун празднования 79-й годовщины освобождения город…
• «Пойти и не вернуться»
• Лауреаты конкурса «Лучшая научная работа 2022». ..
• Студотряды БелГУТа — лучшие студотряды Гомельской области…
• У памятника братьям Лизюковым
• Материалы XII Международной научно-практической конференции «Проблемы …

КУДА ПОСТУПАТЬ

Все факультеты

БелГУТ на Доске почета

Достижения университета

Предложения

Все предложения

Видеотека

Все видео

Фотогалерея

Все фото

Эффективный расчет и контроль электрических полей рядом с электроустановками при помощи приложения для моделирования

При эксплуатации электроустановок должны выполняться требования по максимальному уровню электрических полей в их окрестности. Слишком высокие электрические поля могут негативно влиять на здоровье персонала и проживающих рядом людей. С помощью моделирования можно рассчитать уровень электрических полей и понять, соответствуют ли они требованиям. Среда разработки приложений (Application Builder) в COMSOL Multiphysics позволяет конструкторам проводить такие контрольные расчёты заранее и максимально быстро.

Требования безопасности при эксплуатации электроустановок

Различные электроустановки, к примеру, подстанции и батареи конденсаторов, используются для обеспечения энергией домов и предприятий. Из-за высоких мощностей к ним предъявляются повышенные требования по безопасности. Например, если электрическое поле вокруг установки превышает допустимые нормы, это может сказаться на здоровье рабочих и населения. В связи с этим существуют требования к максимальным уровням полей вокруг установок.

Уровень электрических полей вокруг электроустановок, например, батарей конденсаторов, является важным требованием при проектировании. Изображение от Western Area Power. Доступно по лицензии CC BY 2.0 на Flickr Creative Commons.

Возьмём, к примеру, инструкции ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection –Международная комиссия по защите от неионизирующего радиационного излучения). Основное внимание данных требований направлено на низкочастотные электрические поля, как правило это 50 — 60 Гц. По нормативам, максимальное электрическое поле определяется двумя уровнями безопасности: для уполномоченного персонала и для простых сторонних граждан. На частоте 50 Гц допустимые максимумы поля составляют 10 кВ/м и 5 кВ/м, соответственно.

Моделирование является основным методом для проверки соответствия электроустановок заданным требованиям (а также критериям, выдвинутым заказчиками). Для специалистов по моделированию проведение таких исследований является довольно простой задачей, однако они могут быть не всегда рядом, и процесс проектирования может остановиться. Такая задержка будет критичной в рамках огромного проекта.

Создав простое в использовании приложение в Среде разработки приложений (Application Builder), встроенной в программное обеспечение COMSOL Multiphysics®, специалисты по моделированию могут позволить проектировщикам самостоятельно проверять и контролировать уровни электрических полей вокруг электроустановок. Нильс Лавессон (Nils Lavesson), старший научный сотрудник ABB, создал приложение такого типа.

Упрощение геометрии электроустановки

При создании модели, одна из самых главных проблем, с которой сталкиваются инженеры, – это грамотное согласование и балансировка уровня детализации, необходимого для точного расчёта, с уровнем упрощения геометрии для эффективности и простоты решения. Подобные конструкции, к примеру, батарея конденсаторов от ABB, изображённая ниже, обычно доступны в виде CAD-чертежей, которые можно импортировать в COMSOL Multiphysics. Однако, как правило, данные чертежи слишком детализированы и требуют определенных разумных упрощений перед непосредственным использованием в модели.

Батарея конденсаторов ABB. Изображение предоставлено ABB.

У Лавессона была задача рассчитать электрическое поле на на значительном удалении от активных частей, поэтому он решил использовать наиболее общий подход – создание трёхмерной геометрии на основе CAD-чертежа. В этой геометрии реальные электрические компоненты представлены упрощёнными фигурами. Как правило, такой подход обеспечивает достаточную степень точности при расчёте интересующих полей. Типичная упрощённая геометрия таких установок включает в себя несколько компонентов, подключенным к разным фазам и разделённых ограждениями. Такой метод полезен для проведения подробных исследований, однако он требует ряд ручных манипуляций для точного построения геометрии. Чтобы автоматизировать этот процесс, необходимы дальнейшие упрощения.

Для своей модели Лавессон выбрал двухмерную осесимметричную задачу, в которой рассматривается только один из компонентов, подключённый к одной фазе. Хотя с виду этот метод может показаться довольно ограниченным и базовым, он позволяет получить достаточно точное решение. В большинстве реальных случаев используются компоненты с тремя фазами, в которых одна из них всегда является основной. Дополнительные фазы служат для экранирования поля, поэтому такую аппроксимацию можно считать довольно консервативным подходом к решению. (В предыдущей заметке нашего блога мы более детально рассмотрели данный вопрос.

)

Упрощённая двухмерная геометрия электростанции. Цифрами изображены: электрические компоненты (1), первое ограждение (2), второе ограждение (3), земля (4) и воздух (5). Изображение из статьи, опубликованной на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, представлено Нильсом Лавессоном (Nils Lavesson).

Обратите внимание, что при аппроксимации трёхмерной геометрии в двухмерную, объективно теряется точность. Платформа или опора, имеющие прямоугольную форму, в двухмерной задаче будут представлены цилиндром. Выбор в качестве диаметра цилиндра наибольшего размера исходной платформы (как правило, ее диагонального размера), помогает избежать ошибок, связанных с риском получения на выходе слишком больших значений поля.

Такую же методику можно применить для заграждений. В реальности, заграждение имеет прямоугольную форму, однако в нашей упрощённой модели представим, что оно выполнено в форме кольца. Выбор и использование кратчайшего расстояния между ограждением и платформой в качестве расстояния между двумя элементами двухмерной модели помогает обеспечить необходимую точность приближения при моделировании (в результате получатся лишь слегка более высокие значения поля).

Другим важным шагом при проектировании двухмерной задачи является параметризация задания распределения напряжения. Два основных предположения рассматриваемого подхода:

• В основном электроустановки содержат компоненты с одинаковым постоянным потенциалом.
• Напряжение в батарее конденсаторов имеет линейную нарастающую зависимость от высоты.

Приложение для эффективного расчета и контроля электрических полей рядом с электроустановками

Используя упрощённую геометрию, описанную выше, Лавессон создал простое в использовании приложение для моделирования. Входными данными являются различные геометрические параметры, а также допустимые уровни электрического поля. Обратите внимание, что размер воздушной области автоматически генерируется, исходя из заданных параметров, чтобы не уменьшать точность расчёта.

Расчёт — шаг, который обычно занимает по времени меньше минуты, начинается после того, как пользователь нажмёт кнопку Compute (Запуск на расчёт). По результатам данного расчёта пользователь сможет оценить соответствие исследуемой конструкции заданным требованиям. Рассчитанное распределение электрического поля и геометрия в приложении отображаются на нескольких стандартизированных графиках. На графике ниже, для примера приведено расчетное распределение поля с демонстрацией заданных пределов между допустимыми и недопустимыми уровнями электрического поля. Это позволяет лучше визуализировать и понять распределение электрического поля.

Приложение для расчёта электрических полей. Изображение из статьи, опубликованной на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, представлено Нильсом Лавессоном (Nils Lavesson).

Также, по нажатию всего одной кнопки Report (Отчёт), в приложении можно создавать отчёт, в котором будут отражены все входные параметры, графики и результаты расчёта. Эта функция позволяет быстро и эффективно документировать отдельные расчёты моделей на протяжении всего процесса проектирования и легко обмениваться результатами.

Сравнение результатов моделирования для двух- и трёхмерной моделей

После разработки приложения, Lavesson создал трёхмерную модель в COMSOL Multiphysics для аналогичного исследования и сравнил результаты расчётов. Для сравнения он использовал упрощённую геометрию. В данном конкретном случае не было необходимости, но для трёхмерной модели так же можно создать приложение.

Геометрия включает в себя объект с квадратным основанием размером 2 на 2 метра и высотой 3 метра. По высоте напряжение линейно нарастает от 100 до 300 кВ. Вокруг него находятся два ограждения высотой 3 и 2.5 метра, которые удалены от оборудования на 2 и 5 метров, соответственно. Расчёт электрического поля осуществляется на расстоянии двух метров над землёй.

Трёхмерная геометрия. Изображение из статьи, опубликованной на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, представлено Нильсом Лавессоном (Nils Lavesson).

Для визуализации результатов расчета представлен срез по центру трёхмерной модели платформы. На нём изображено максимальное поле в т.ч. в пространстве за пределами заграждений. За пределами первого заграждения оно составляет 4.6 кВ/м, за пределами второго — 2.5 кВ/м.

Расчёт электрического поля вокруг электроустановки в сечении трёхмерной модели. Изображение из статьи, опубликованной на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, представлено Нильсом Лавессоном (Nils Lavesson).

Аналогичный расчёт можно провести, используя приложение. Используя рекомендации по заданию упрощённой геометрии, описанные выше, оборудование задано цилиндром, радиус которого определяется, как половина исходного диагонального размера. Расстояния до ограждений определяются, как соответствующие минимальные расстояния. Представленные за двумерной осесимметричной модели результаты показывают, что максимальное поле за пределами первого заграждения составляет 5.5 кВ/м, а второго — 3.1 кВ/м.

Расчёт электрических полей вокруг электростанции для двухмерной геометрии в приложении. Изображение из статьи, опубликованной на конференции COMSOL 2016 в Мюнхене, представлено Нильсом Лавессоном (Nils Lavesson).

Вы могли заметить, что при расчёте двухмерной геометрии, значения немного больше, чем для трёхмерной. Так получилось в следствие задания самых больших размеров платформы и минимальных расстояний между заграждениями. Такая методика естественным образом гарантирует, что результаты расчета в плане соответствия или несоответствия заданным требованиям по максимальному значению поля будут совпадать как в случае оценочного двумерного расчета в приложении, так и при полном трёхмерном моделировании.

Приложения для моделирования как новая оптимизированная методика для проектирования энергоустановок

Данное приложение может быть весьма полезным для проектировщиков, так как позволяет оценить возможности и перспективы разработки на начальном этапе проекитирования. Если потребуется более высокая точность оптимизации, можно рассчитать полную трёхмерную модель в дополнение к результатам, полученным в приложении. Как показали расчёты выше, результаты двухмерного и трёхмерного моделирования во многом схожи.

Гибкость Среды разработки приложений от COMSOL Multiphysics позволяет создавать аналогичные рассмотренному примеру приложения для расчёта других возможных геометрических конфигураций и физических задач. Таким образом, данные функциональные возможности значительно расширяют потенциальные области применения пакета в электротехническом моделировании и позволяют оптимизировать процесс разработки новых продуктов.

Ознакомьтесь с другими вариантами использования приложений для оптимизации процессов проектирования

• Прочтите оригинальную статью с конференции COMSOL: «Приложение для расчёта электрических полей вокруг электроустановок»
• Посмотрите, как другая команда из ABB создала приложение для эффективного моделирования трансформаторов: «Команда из АББ минимизирует уровни шума трансформатора, используя моделирование»
• Ознакомьтесь с комментариями пользователей пакета COMSOL®, которые уже используют приложения для моделирования в своей практике: «Мультифизическое моделирование стало более доступным благодаря Среде разработки приложений»

Понимание электрических и магнитных полей

Меры безопасности и воздействие ЭМП

Международные и национальные ученые провели обширные исследования воздействия ЭМП и безопасности. Результаты этого исследования были оценены авторитетными международными и национальными научными и общественными организациями и учреждениями здравоохранения. Компания полагается на оценки этих организаций и агентств при оценке потенциальных рисков. Все предлагаемые нами объекты электропередачи соответствуют правилам, нормам и стандартам для воздействия электромагнитного поля, чтобы обеспечить безопасное и надежное электроснабжение.

Воздействие электрических и магнитных полей (ЭМП)

ЭМП возникают везде, где есть электричество. Большинство электромагнитных полей, присутствующих в домах, имеют частоту промышленной частоты (60 герц), которая относится к категории крайне низких частот (ELF). Обычными источниками электрических и магнитных полей в доме являются бытовые приборы, телевизоры, компьютеры и стандартная электропроводка. Все, что имеет напряжение, имеет электрическое поле ELF. Когда устройство включено, протекает электрический ток, который также создает магнитное поле СНЧ.

Электрические  поля вблизи наружных линий электропередач обычно сильнее, чем в домах, потому что они имеют более высокое напряжение, чем бытовые источники или приборы/устройства. С другой стороны, магнитные поля вокруг электроприборов в домах могут быть такими же высокими или выше, чем магнитные поля вблизи наружных линий электропередач. Поскольку электромагнитные поля значительно уменьшаются по мере удаления от источника, воздействие ЭМП от линий электропередач значительно уменьшается при удалении от проводов, включая высоту опор или столбов, по которым проходят воздушные линии электропередач и распределительные линии. Электрические поля линий электропередачи, но не магнитные поля, также экранируются деревьями и домами, так что они еще больше уменьшаются внутри домов и зданий.

Дома

На приведенной ниже диаграмме показано, как уменьшается воздействие магнитного поля с увеличением расстояния от типичных источников электричества в доме.

Измерения в миллигауссах

	1,2 дюйма	12 дюймов	36 дюймов
Микроволновая печь	от 750 до 2000	от 40 до 80	от 3 до 8
Стиральная машина	8 до 400	от 2 до 30	от 0,1 до 2
Электрическая плита	от 60 до 2000	от 4 до 40	от 0,1 до 1
Компактная люминесцентная лампа	от 0 до 32,8	от 0 до 0,1	0
Фен	от 60 до 20 000	от 1 до 70	от 0,1 до 3
ЖК/плазменный телевизор	от 1,1 до 73,6	от 0 до 2,5	от 0 до 2,2

Источник: адаптировано из Gauger 1985 и EPRI Appliance Measurements Study 2010
 

Дома

На этой диаграмме показаны типичные значения магнитных полей вокруг линий распределения и передачи.

Максимальные значения могут быть ниже для некоторых коммунальных услуг
 

Распределительные линии	от 1 до 80 мГс по линии
Линии электропередач	от 1 до 300 мГс край полосы отчуждения

Электрические поля

Электрические поля
Далее: Примеры работы Вверх: Электричество Предыдущий: Закон Кулона По закону Кулона заряд действует на второй заряд с силой а наоборот даже в вакууме. Но как эта сила передается через пустое пространство? Чтобы ответить на этот вопрос, физики 19-го века разработал концепцию электрическое поле . Идея заключается в следующем. заряд создает электрическое поле который заполняет пространство. Электростатическая сила, действующая на второй заряд, фактически создается локально электрическое поле в месте расположения этого заряда в соответствии с законом Кулона. Точно так же заряд генерирует свой собственное электрическое поле который также заполняет пространство. Равная и противоположная реакция сила, действующая на объект, создается локально электрическим полем в положение этого заряда, опять же, в соответствии с законом Кулона. Конечно, электрическое поле. не может воздействовать на заряд, который его генерирует, точно так же, как мы не можем подняться собственными шнурками. Между прочим, электрические поля имеют реальное физическое существование, а не просто теоретические конструкции, придуманные физиками, чтобы обойти проблема передачи электростатического сил через вакуум. Мы можем сказать это с уверенностью, потому что, как мы увидим позже, существует энергия связана с электрическое поле, заполняющее пространство. Действительно, эту энергию можно преобразовать в тепло или работа, и наоборот .

Электрическое поле генерируемое набором фиксированных электрических зарядов, представляет собой векторное поле, которое определяется следующим образом. Если представляет собой электростатическую силу, испытываемую некоторыми небольшими положительными пробный заряд, находящийся в определенной точке пространства, то электрическое поле при эта точка представляет собой просто силу, деленную на величину испытания обвинение. Другими словами,

(62)

Электрическое поле имеет размерность силы на единицу заряда, и единиц ньютонов на кулон ( ). Кстати, причина что мы указываем маленькое, а не большое, тестовый заряд, чтобы не мешать любому из фиксированные платежи которые генерируют электрическое поле.

Воспользуемся приведенным выше правилом для восстановления электрического поля, создаваемого точечный заряд. По закону Кулона электростатическая сила Воздействие точечного заряда на положительный пробный заряд, расположенный на расстоянии от него имеет величину

(63)

и направлен радиально от бывшего заряда, если , и радиально к нему, если . Таким образом, электрическое поле на расстоянии вдали от заряда имеет величину

(64)

и направлен радиально от заряда, если , и радиально навстречу плата, если . Заметим, что поле не зависит от величины испытательного заряда.

Следствием приведенного выше определения электрического поля является то, что стационарный заряд находящийся в электрическом поле испытывает электростатическую силу

(65)

где электрическое поле в месте расположения заряда (без учета поля, создаваемого самим зарядом).

Так как электростатические силы суперпозитивны, то и электрические поля суперпозитивны. Например, если у нас есть три стационарных точечные заряды , , и , расположенные в трех разных точках пространства, тогда чистое электрическое поле, которое заполняет пространство, представляет собой просто векторную сумму полей, создаваемых каждым точечным зарядом, взятым отдельно.