提升感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算精度的方法研究

引言

在電力學(xué)中為表征電場(chǎng)強(qiáng)弱和方向,引入了電場(chǎng)強(qiáng)度這一物理量,并規(guī)定某一點(diǎn)上的電場(chǎng)強(qiáng)度值等于單位電荷在這一點(diǎn)受的電場(chǎng)力。同時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算遵循疊加原理,即總的電場(chǎng)強(qiáng)度等于各電場(chǎng)單獨(dú)存在時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和。隨著電力學(xué)理論進(jìn)步與行業(yè)的快速發(fā)展,電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)成為工程實(shí)際中保證人身安全、設(shè)備安全可靠運(yùn)行的一項(xiàng)重要參數(shù),對(duì)其進(jìn)行計(jì)算與校核具有重要的工程意義。

目前,針對(duì)簡(jiǎn)單的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算主要根據(jù)疊加原理得出,對(duì)于復(fù)雜的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算,需利用專(zhuān)業(yè)的計(jì)算軟件,但采用計(jì)算軟件計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度并未考慮軟件自身以及外界環(huán)境的影響,導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)際值之間存在較大偏差。對(duì)此,本文對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算精度的影響因素進(jìn)行分析,并給出合理的修正方法,從而達(dá)到提高工程實(shí)際中感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算精準(zhǔn)度與保證安全生產(chǎn)的目的,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

電場(chǎng)強(qiáng)度為表征電場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量,并規(guī)定某一點(diǎn)上的電場(chǎng)強(qiáng)度值等于單位電荷在這一點(diǎn)受的電場(chǎng)力。電強(qiáng)強(qiáng)度的計(jì)算遵循疊加原理,因此,針對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算主要根據(jù)已知各類(lèi)情況下的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算方法,利用場(chǎng)疊加原理進(jìn)行計(jì)算,其中各類(lèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算包括:真空中點(diǎn)電荷計(jì)算、勻強(qiáng)電場(chǎng)計(jì)算、平行板電容器間計(jì)算、介質(zhì)中點(diǎn)電荷計(jì)算、均勻帶電球殼計(jì)算、無(wú)限長(zhǎng)直線計(jì)算、帶電半圓對(duì)圓心計(jì)算、半徑為R的圓環(huán)任意帶電曲線計(jì)算等。對(duì)于簡(jiǎn)單的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算,根據(jù)場(chǎng)疊加原理,便可輕松計(jì)算得出,對(duì)于復(fù)雜情況下的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算,需要采用計(jì)算軟件計(jì)算得出,在使用軟件計(jì)算過(guò)程中,由于軟件計(jì)算中存在簡(jiǎn)化,導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)際值之間存在偏差,因此,為了提高計(jì)算精度,需要分析誤差產(chǎn)生的原因,并在計(jì)算中避免這些誤差。

2影響電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算精度的因素

2.1計(jì)算軟件的影響

目前針對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算,主要利用計(jì)算軟件MATLAB采用差分法進(jìn)行計(jì)算或者采用ANSsSYworkench進(jìn)行三維數(shù)值仿真得出。無(wú)論是MATLAB計(jì)算,還是ANSsSYworkench仿真,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間存在一定誤差。主要原因如下:采用MATLAB軟件進(jìn)行計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度,在計(jì)算中采用牛頓插值法、曲線擬合法等計(jì)算,首先計(jì)算方法上存在一定偏差,其次在計(jì)算迭代過(guò)程中,存在迭代誤差,最終導(dǎo)致MATLAB計(jì)算值與實(shí)際值之間存在誤差。利用ANSsSYworkench進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度仿真,首先其網(wǎng)格數(shù)以及分布情況對(duì)計(jì)算結(jié)果存在影響,其次對(duì)有限元計(jì)算模型的選擇也對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響,從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在誤差。

2.2外部環(huán)境對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

環(huán)境因素對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響主要包括兩方面,即溫度和濕度。目前針對(duì)濕度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響研究較多,已經(jīng)形成了一定的研究成果,主要結(jié)論如下:環(huán)境濕度影響電場(chǎng)在空間上的分布,電場(chǎng)分布發(fā)生變化后,某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度值將改變,同時(shí)研究結(jié)果表明,隨著濕度的增加,電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值將變大,但測(cè)量點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際值并未改變。對(duì)于溫度是如何影響電場(chǎng)強(qiáng)度,學(xué)者們也進(jìn)行了研究,其規(guī)律被學(xué)者們研究得出。

3提高感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算精度的方法

3.1數(shù)值仿真

3.1.1MATLAB軟件計(jì)算

在MATLAB中進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算,采用更為復(fù)雜精準(zhǔn)的計(jì)算方法,如模擬退火法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合法、量子粒子群優(yōu)化算法、模糊計(jì)算、遺傳算法等,以提高計(jì)算精度。同時(shí)在感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度迭代計(jì)算中要做到如下幾點(diǎn):(1）避免計(jì)算過(guò)程中兩個(gè)相近的數(shù)相減,從而保證運(yùn)算后的有效數(shù)字個(gè)數(shù):(2）避免兩個(gè)數(shù)量級(jí)相差很大的數(shù)進(jìn)行相加減,從而保證較小的數(shù)不會(huì)被吃掉:(3）減少運(yùn)算過(guò)程中的迭代次數(shù),從而防止迭代誤差的產(chǎn)生:(4）避免用絕對(duì)值過(guò)小的數(shù)做除數(shù),分母不要接近零。

3.1.2ANSsSYworkench模擬計(jì)算

采用ANSsSYworkench對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算時(shí),需要建立計(jì)算模型,分網(wǎng)格劃分、計(jì)算前處理、計(jì)算模型的選擇以及后處理等步驟。因此,為了提高電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果精度,需在各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行把控,從而提高最終計(jì)算結(jié)果的精度。(1）在模型建立時(shí),模型應(yīng)根據(jù)實(shí)際尺寸建立,建立好的模型應(yīng)與實(shí)際相符合:(2）根據(jù)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),網(wǎng)格數(shù)應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,需要精細(xì)計(jì)算的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密:(3）前處理過(guò)程中,根據(jù)實(shí)際情況給定邊界條件,選用較高的計(jì)算精度:(4）在提取運(yùn)算結(jié)果時(shí),應(yīng)與實(shí)際情況對(duì)比分析,以確定計(jì)算準(zhǔn)確性?？傊?在數(shù)值模擬中,應(yīng)控制好各個(gè)環(huán)節(jié),才能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3.2外界環(huán)境

空氣濕度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響已經(jīng)明確,因此,在計(jì)算過(guò)程中結(jié)合濕度信息,采用曲線擬合法獲得二者之間的關(guān)系。首先,在相對(duì)濕度為h1時(shí),在電場(chǎng)強(qiáng)度全量程內(nèi)獲取m個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度校驗(yàn)點(diǎn),即e1,e2,e3,e4,e5,…,en。其次,改變濕度的相對(duì)值n,獲得h1,h2,h3,h4,h5,…,hn,保證n個(gè)濕度值可以保證覆蓋全部的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍,根據(jù)獲得值,擬合二者之間的關(guān)系曲線。同樣按照相同的方法獲取環(huán)境溫度與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系,得到溫度和濕度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響關(guān)系后,在計(jì)算中將影響因素考慮進(jìn)去,可進(jìn)一步提高感應(yīng)電場(chǎng)計(jì)算精度。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)軟件計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生計(jì)算的偏差原因與外界環(huán)境對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析,提出了提高電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算精度的修正方法,為提高感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算提供了參考。但針對(duì)復(fù)雜條件下提高感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算精度問(wèn)題,需要隨著電工學(xué)的研究不斷深入以及計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展進(jìn)行不斷優(yōu)化改進(jìn),為電力工程提供更為可靠的參考值。