提升感应电场强度计算精度的方法研究

引言

在电力学中为表征电场强弱和方向,引入了电场强度这一物理量,并规定某一点上的电场强度值等于单位电荷在这一点受的电场力。同时电场强度计算遵循叠加原理,即总的电场强度等于各电场单独存在时电场强度的矢量和。随着电力学理论进步与行业的快速发展,电场强度已经成为工程实际中保证人身安全、设备安全可靠运行的一项重要参数,对其进行计算与校核具有重要的工程意义。

目前,针对简单的电场强度数值计算主要根据叠加原理得出,对于复杂的电场强度计算,需利用专业的计算软件,但采用计算软件计算电场强度并未考虑软件自身以及外界环境的影响,导致计算值与实际值之间存在较大偏差。对此,本文对电场强度计算精度的影响因素进行分析,并给出合理的修正方法,从而达到提高工程实际中感应电场强度计算精准度与保证安全生产的目的,具有一定的工程应用价值。

1电场强度计算

电场强度为表征电场强弱和方向的物理量,并规定某一点上的电场强度值等于单位电荷在这一点受的电场力。电强强度的计算遵循叠加原理,因此,针对电场强度的计算主要根据已知各类情况下的电场强度计算方法,利用场叠加原理进行计算,其中各类电场强度的计算包括:真空中点电荷计算、匀强电场计算、平行板电容器间计算、介质中点电荷计算、均匀带电球壳计算、无限长直线计算、带电半圆对圆心计算、半径为R的圆环任意带电曲线计算等。对于简单的电场强度计算,根据场叠加原理,便可轻松计算得出,对于复杂情况下的电场强度计算,需要采用计算软件计算得出,在使用软件计算过程中,由于软件计算中存在简化,导致计算值与实际值之间存在偏差,因此,为了提高计算精度,需要分析误差产生的原因,并在计算中避免这些误差。

2影响电场强度计算精度的因素

2.1计算软件的影响

目前针对电场强度的计算,主要利用计算软件MATLAB采用差分法进行计算或者采用ANSsSYworkench进行三维数值仿真得出。无论是MATLAB计算,还是ANSsSYworkench仿真,其计算结果与实际结果之间存在一定误差。主要原因如下:采用MATLAB软件进行计算电场强度,在计算中采用牛顿插值法、曲线拟合法等计算,首先计算方法上存在一定偏差,其次在计算迭代过程中,存在迭代误差,最终导致MATLAB计算值与实际值之间存在误差。利用ANSsSYworkench进行电场强度仿真,首先其网格数以及分布情况对计算结果存在影响,其次对有限元计算模型的选择也对计算结果有较大影响,从而导致计算结果与实际结果存在误差。

2.2外部环境对电场强度的影响

环境因素对电场强度的影响主要包括两方面,即温度和湿度。目前针对湿度对电场强度的影响研究较多,已经形成了一定的研究成果,主要结论如下:环境湿度影响电场在空间上的分布,电场分布发生变化后,某点的电场强度值将改变,同时研究结果表明,随着湿度的增加,电场强度测量值将变大,但测量点的电场强度实际值并未改变。对于温度是如何影响电场强度,学者们也进行了研究,其规律被学者们研究得出。

3提高感应电场强度计算精度的方法

3.1数值仿真

3.1.1MATLAB软件计算

在MATLAB中进行电场强度计算,采用更为复杂精准的计算方法,如模拟退火法、神经网络拟合法、量子粒子群优化算法、模糊计算、遗传算法等,以提高计算精度。同时在感应电场强度迭代计算中要做到如下几点:(1）避免计算过程中两个相近的数相减,从而保证运算后的有效数字个数:(2）避免两个数量级相差很大的数进行相加减,从而保证较小的数不会被吃掉:(3）减少运算过程中的迭代次数,从而防止迭代误差的产生:(4）避免用绝对值过小的数做除数,分母不要接近零。

3.1.2ANSsSYworkench模拟计算

采用ANSsSYworkench对电场强度计算时,需要建立计算模型,分网格划分、计算前处理、计算模型的选择以及后处理等步骤。因此,为了提高电场强度计算结果精度,需在各个环节进行把控,从而提高最终计算结果的精度。(1）在模型建立时,模型应根据实际尺寸建立,建立好的模型应与实际相符合:(2）根据计算模型进行网格划分时,网格数应进行网格无关性验证,需要精细计算的地方进行网格加密:(3）前处理过程中,根据实际情况给定边界条件,选用较高的计算精度:(4）在提取运算结果时,应与实际情况对比分析,以确定计算准确性。总之,在数值模拟中,应控制好各个环节,才能保证计算的准确性。

3.2外界环境

空气湿度对电场强度的影响已经明确,因此,在计算过程中结合湿度信息,采用曲线拟合法获得二者之间的关系。首先,在相对湿度为h1时,在电场强度全量程内获取m个电场强度校验点,即e1,e2,e3,e4,e5,…,en。其次,改变湿度的相对值n,获得h1,h2,h3,h4,h5,…,hn,保证n个湿度值可以保证覆盖全部的电场强度范围,根据获得值,拟合二者之间的关系曲线。同样按照相同的方法获取环境温度与电场强度之间的关系,得到温度和湿度对电场强度的影响关系后,在计算中将影响因素考虑进去,可进一步提高感应电场计算精度。

4结语

本文对软件计算电场强度产生计算的偏差原因与外界环境对电场强度的影响进行了分析,提出了提高电场强度计算精度的修正方法,为提高感应电场强度计算提供了参考。但针对复杂条件下提高感应电场强度的计算精度问题,需要随着电工学的研究不断深入以及计算机的快速发展进行不断优化改进,为电力工程提供更为可靠的参考值。