引言

在電力學中為表征電場強弱和方向,引入了電場強度這一物理量,并規(guī)定某一點上的電場強度值等于單位電荷在這一點受的電場力。同時電場強度計算遵循疊加原理,即總的電場強度等于各電場單獨存在時電場強度的矢量和。隨著電力學理論進步與行業(yè)的快速發(fā)展,電場強度已經(jīng)成為工程實際中保證人身安全、設備安全可靠運行的一項重要參數(shù),對其進行計算與校核具有重要的工程意義。

目前,針對簡單的電場強度數(shù)值計算主要根據(jù)疊加原理得出,對于復雜的電場強度計算,需利用專業(yè)的計算軟件,但采用計算軟件計算電場強度并未考慮軟件自身以及外界環(huán)境的影響,導致計算值與實際值之間存在較大偏差。對此,本文對電場強度計算精度的影響因素進行分析,并給出合理的修正方法,從而達到提高工程實際中感應電場強度計算精準度與保證安全生產(chǎn)的目的,具有一定的工程應用價值。

1電場強度計算

電場強度為表征電場強弱和方向的物理量,并規(guī)定某一點上的電場強度值等于單位電荷在這一點受的電場力。電強強度的計算遵循疊加原理,因此,針對電場強度的計算主要根據(jù)已知各類情況下的電場強度計算方法,利用場疊加原理進行計算,其中各類電場強度的計算包括:真空中點電荷計算、勻強電場計算、平行板電容器間計算、介質(zhì)中點電荷計算、均勻帶電球殼計算、無限長直線計算、帶電半圓對圓心計算、半徑為R的圓環(huán)任意帶電曲線計算等。對于簡單的電場強度計算,根據(jù)場疊加原理,便可輕松計算得出,對于復雜情況下的電場強度計算,需要采用計算軟件計算得出,在使用軟件計算過程中,由于軟件計算中存在簡化,導致計算值與實際值之間存在偏差,因此,為了提高計算精度,需要分析誤差產(chǎn)生的原因,并在計算中避免這些誤差。

2影響電場強度計算精度的因素

2.1計算軟件的影響

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

2.2外部環(huán)境對電場強度的影響

環(huán)境因素對電場強度的影響主要包括兩方面,即溫度和濕度。目前針對濕度對電場強度的影響研究較多,已經(jīng)形成了一定的研究成果,主要結論如下:環(huán)境濕度影響電場在空間上的分布,電場分布發(fā)生變化后,某點的電場強度值將改變,同時研究結果表明,隨著濕度的增加,電場強度測量值將變大,但測量點的電場強度實際值并未改變。對于溫度是如何影響電場強度,學者們也進行了研究,其規(guī)律被學者們研究得出。

3提高感應電場強度計算精度的方法

3.1數(shù)值仿真

3.1.1MATLAB軟件計算

在MATLAB中進行電場強度計算,采用更為復雜精準的計算方法,如模擬退火法、神經(jīng)網(wǎng)絡擬合法、量子粒子群優(yōu)化算法、模糊計算、遺傳算法等,以提高計算精度。同時在感應電場強度迭代計算中要做到如下幾點:(1）避免計算過程中兩個相近的數(shù)相減,從而保證運算后的有效數(shù)字個數(shù):(2）避免兩個數(shù)量級相差很大的數(shù)進行相加減,從而保證較小的數(shù)不會被吃掉:(3）減少運算過程中的迭代次數(shù),從而防止迭代誤差的產(chǎn)生:(4）避免用絕對值過小的數(shù)做除數(shù),分母不要接近零。

3.1.2ANSsSYworkench模擬計算

采用ANSsSYworkench對電場強度計算時,需要建立計算模型,分網(wǎng)格劃分、計算前處理、計算模型的選擇以及后處理等步驟。因此,為了提高電場強度計算結果精度,需在各個環(huán)節(jié)進行把控,從而提高最終計算結果的精度。(1）在模型建立時,模型應根據(jù)實際尺寸建立,建立好的模型應與實際相符合:(2）根據(jù)計算模型進行網(wǎng)格劃分時,網(wǎng)格數(shù)應進行網(wǎng)格無關性驗證,需要精細計算的地方進行網(wǎng)格加密:(3）前處理過程中,根據(jù)實際情況給定邊界條件,選用較高的計算精度:(4）在提取運算結果時,應與實際情況對比分析,以確定計算準確性?？傊?在數(shù)值模擬中,應控制好各個環(huán)節(jié),才能保證計算的準確性。

3.2外界環(huán)境

空氣濕度對電場強度的影響已經(jīng)明確,因此,在計算過程中結合濕度信息,采用曲線擬合法獲得二者之間的關系。首先,在相對濕度為h1時,在電場強度全量程內(nèi)獲取m個電場強度校驗點,即e1,e2,e3,e4,e5,…,en。其次,改變濕度的相對值n,獲得h1,h2,h3,h4,h5,…,hn,保證n個濕度值可以保證覆蓋全部的電場強度范圍,根據(jù)獲得值,擬合二者之間的關系曲線。同樣按照相同的方法獲取環(huán)境溫度與電場強度之間的關系,得到溫度和濕度對電場強度的影響關系后,在計算中將影響因素考慮進去,可進一步提高感應電場計算精度。

4結語

本文對軟件計算電場強度產(chǎn)生計算的偏差原因與外界環(huán)境對電場強度的影響進行了分析,提出了提高電場強度計算精度的修正方法,為提高感應電場強度計算提供了參考。但針對復雜條件下提高感應電場強度的計算精度問題,需要隨著電工學的研究不斷深入以及計算機的快速發(fā)展進行不斷優(yōu)化改進,為電力工程提供更為可靠的參考值。