 |
میدان الکتریکی از خطوط برق
معرفی
خطوط برق معمولاً به عنوان وسیله ای برای انتقال توان الکتریکی در فواصل زیاد استفاده می شود. در این آموزش دو دکل انتقال دهنده برق سه فاز AC ولتاژ بالا مدل سازی شده و میدان الکتریکی حاصل محاسبه می شود. به طور مشخص ولتاژ در این مدل روی 400 کیلو ولت تنظیم شده است. در خطوط انتقال با چنین ولتاژ بالایی، خطوط فاز معمولاً از چند هادی کوچکتر تشکیل شده است که در کنار هم قرار گرفته اند. برای سادگی، در این مدل از یک هادی برای هر خط فاز استفاده شده است، اما شعاع آن به منظور شبیه سازی شعاع موثر یک هادی باندل، 10 سانتی متر تنظیم شده است.
برج ها همچنین دارای دو خط محافظ در بالای خطوط فاز هستند که از برج در برابر صاعقه محافظت می کند. این خطوط محافظ دارای شعاع کمی کوچکتر هستند که در این مدل 1 سانتی متر تنظیم شده است.
تعریف مدل
هندسه یکی از برج ها در شکل 1 نشان داده شده است . به دلیل پیچیدگی آن از یک فایل خارجی وارد می شود. سطح زمین در این هندسه با استفاده از یک قسمت هندسه از کتابخانه Part ایجاد می شود، که یک سطح صاف را ایجاد می کند که به طور تصادفی آشفته می شود. توجه داشته باشید که عایق ها صرفاً برای اهداف زیبایی در این مدل هستند.
شکل 1: هندسه دکل انتقال. دو خط محافظ در بالا دیده می شوند، در حالی که خطوط سه فاز توسط عایق ها نگه داشته می شوند.
برای حل مدل، از رابط 3D Electrostatics، Boundary Elements در ماژول AC/DC استفاده کنید. در این رابط فیزیک، پتانسیل اسکالر الکتریکی، V معادله را برآورده می کند
که در آن ε 0 گذردهی فضای آزاد، ε r گذردهی نسبی و ρ چگالی بار فضایی است. میدان الکتریکی و میدان جابجایی از پتانسیل زیر بدست می‌آیند:
در مدل، ویژگی Ground شرایط مرزی V = 0 را در خطوط محافظ، برج و کف تعیین می کند. در خطوط فاز، از ویژگی پتانسیل الکتریکی برای تنظیم پتانسیل های مشخص شده استفاده می شود که هر یک از آنها نسبت به سایرین تغییر فاز دارند. از آنجایی که سیم ها در هندسه لبه هستند، همچنین لازم است که شعاع لبه مربوطه برای هر یک از این ویژگی ها مشخص شود.
از آنجایی که مدل از روش المان مرزی (BEM) استفاده می کند و پتانسیل در تمام لبه ها و سطوح ثابت است، تنها نیاز به حل معادلات فوق در فضای خالی بینهایت اطراف برج ها دارد. این همچنین قدرت استفاده از BEM را در مدل هایی که فضاهای خالی بزرگ وجود دارد را نشان می دهد. اگر در عوض از روش اجزای محدود (FEM) استفاده می کرد، مانند بسیاری از رابط های فیزیک دیگر، باید یک شبکه حجمی در کل حوزه هوا ایجاد می کرد. این به میزان قابل توجهی تعداد درجات آزادی را افزایش می‌دهد، که احتمالاً زمان مورد نیاز برای حل مدل را نیز افزایش می‌دهد.
نتایج
هنجار میدان الکتریکی از سیم‌ها در سطح زمین در شکل 2 نشان داده شده است ، همراه با خطوط جریانی که جهت میدان الکتریکی را نشان می‌دهند.
شکل 2: هنجار میدان الکتریکی (سطح) و میدان الکتریکی (جریان) از خطوط انتقال.
مسیر کتابخانه برنامه: ACDC_Module/Devices,_Capacitive/power_line_electric_field
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، AC/DC>Electric Fields and Currents>Electrostatics, Boundary Elements (esbe) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Frequency Domain را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
ابتدا پارامترهایی را که در ساخت مدل مورد استفاده قرار می گیرند، تعریف کنید.
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
V0 | 400 [کیلو ولت] | 4E5 V | ولتاژ خط برق |
r0 | 10[cm] | 0.1 متر | شعاع خط فاز |
rs | 1[cm] | 0.01 متر | شعاع خط محافظ |
به منظور سادگی، هندسه مدل از یک فایل خارجی وارد می شود. توجه داشته باشید که از آنجایی که در این مدل از روش المان مرزی استفاده می شود، نیازی به حوزه هوا در هندسه نیست.
هندسه 1
واردات 1 (imp1)
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  واردات کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واردات ، بخش واردات را پیدا کنید . |
3 |  روی Browse کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل power_line_electric_field.mphbin دوبار کلیک کنید . |
5 |  روی Import کلیک کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
آب (مت1)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه فضای خالی را انتخاب کنید . |
در رابط فیزیک، پتانسیل های الکتریکی تغییر فاز را در خطوط سه فاز اضافه کنید. همچنین، زمین را در برج ها، خطوط محافظ و کف اضافه کنید.
الکترواستاتیک، عناصر مرزی (ESBE)
پتانسیل الکتریکی 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Electrostatics, Boundary Elements (esbe) کلیک راست کرده و Edges>Electric Potential را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات Electric Potential ، قسمت Electric Potential را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی V 0 ، V0 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Edge Radius را پیدا کنید . در قسمت متنی Edge radius ، r0 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Edge Selection را پیدا کنید .  روی Paste Selection کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره‌ای Paste Selection ، 66، 75، 94 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید. |
7 | روی OK کلیک کنید . |
پتانسیل الکتریکی 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Edges کلیک کنید و Electric Potential را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات Electric Potential ، قسمت Electric Potential را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی V 0 ، V0*exp(i*2*pi/3) را تایپ کنید . |
4 | قسمت Edge Radius را پیدا کنید . در قسمت متنی Edge radius ، r0 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Edge Selection را پیدا کنید .  روی Paste Selection کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 802, 820, 856 را در قسمت متن Selection تایپ کنید. |
7 | روی OK کلیک کنید . |
پتانسیل الکتریکی 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Edges کلیک کنید و Electric Potential را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات Electric Potential ، قسمت Electric Potential را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی V 0 ، V0*exp(i*4*pi/3) را تایپ کنید . |
4 | قسمت Edge Radius را پیدا کنید . در قسمت متنی Edge radius ، r0 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Edge Selection را پیدا کنید .  روی Paste Selection کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره‌ای Paste Selection ، 1550، 1559، 1578 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید . |
7 | روی OK کلیک کنید . |
زمین 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Ground را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای زمین ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، در قسمت انتخاب متن، عدد 1 را تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
زمین 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  لبه ها کلیک کنید و Ground را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای زمین ، بخش Edge Radius را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی Edge radius ، rs را تایپ کنید . |
4 | قسمت Edge Selection را پیدا کنید .  روی Paste Selection کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 467، 484، 508، 1239، 1255، 1278 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
زمین 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  لبه ها کلیک کنید و Ground را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای زمین ، قسمت Edge Selection را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 4-21، 36، 37، 52-65، 74، 76، 77، 85، 93، 95، 96، 104-466، 468-483، 485-507، 509-769 را تایپ کنید. 784، 785، 800، 801، 803-810، 818، 819، 821، 822، 830-846، 854، 855، 857، 858، 866-1238، 1218، 819، 1240-846، 1240-1238، 1240، 1221، 1240، 1240، 1240، 1240، 124، 121، 2012 1525، 1540-1549، 1558، 1560، 1561، 1569، 1577، 1579، 1580، 1588-1602 در قسمت انتخاب متن. |
5 | روی OK کلیک کنید . |
قبل از حل، مش را اصلاح کنید. این باعث می‌شود که نمودارهای به‌دست‌آمده جزئیات بیشتری داشته باشند، و از آنجایی که هیچ مش حجمی در مدل وجود ندارد، تأثیر زیادی بر زمان حل آن در هنگام استفاده از FEM ندارد.
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | از فهرست اندازه عنصر ، Extra fine را انتخاب کنید . |
4 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مطالعه 1
مرحله 1: دامنه فرکانس
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی مرحله 1: دامنه فرکانس کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دامنه فرکانس ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرکانس ، 50 را تایپ کنید . |
4 | در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک کنید . |
5 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
6 | تیک Generate defaults defaults را پاک کنید . |
7 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
در پنجره Model Builder ، گره Results را گسترش دهید .
شبکه سه بعدی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید . |
2 | روی Results>Datasets کلیک راست کرده و More 3D Datasets>Grid 3D را انتخاب کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای Grid 3D ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
4 | زیربخش First Parameter را پیدا کنید . در قسمت حداقل متن، -150 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت Maximum text عدد 150 را تایپ کنید . |
6 | زیربخش دوم پارامتر را پیدا کنید . در قسمت حداقل متن، -150 را تایپ کنید . |
7 | در قسمت Maximum text عدد 150 را تایپ کنید . |
8 | زیربخش سوم پارامتر را پیدا کنید . در قسمت Maximum text عدد 100 را تایپ کنید . |
هنجار میدان الکتریکی (سطح)
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  3D Plot Group کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی ، هنجار میدان الکتریکی (سطح) را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Grid 3D 1 را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Color Legend را پیدا کنید . تیک Show legends را پاک کنید . |
6 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را پاک کنید . |
خط 1
1 | روی Electric Field Norm (سطح) کلیک راست کرده و Line را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای خط ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت Expression text، 1 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست نوع خط ، لوله را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن بیان شعاع لوله ، 0.1 را تایپ کنید . |
7 | چک باکس Radius scale factor را انتخاب کنید . |
8 | از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید . |
9 | از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید . |
انتخاب 1
1 | روی خط 1 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 4-21، 55، 56، 59، 60، 62-65، 76، 77، 95، 96، 106، 108، 110، 112-466، 468-483، 485-507، را تایپ کنید. 509-769، 803-810، 818، 821، 822، 830، 832-846، 854، 857، 858، 866، 868-1238، 1240-1254، 1256،125، 1254، 1254، 1254، 1251، 1254، 1251، 1251 1548، 1560، 1561، 1579، 1580، 1589-1592، 1594، 1596، 1598، 1600-1602 در قسمت انتخاب متن. |
5 | روی OK کلیک کنید . |
ظاهر مواد 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی خط 1 کلیک راست کرده و Material Appearance را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ظاهر مواد ، بخش ظاهر را پیدا کنید . |
3 | از لیست ظاهر ، سفارشی را انتخاب کنید . |
4 | از لیست نوع مواد ، فولاد را انتخاب کنید . |
خط 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Field Norm (سطح) کلیک راست کرده و Line را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای خط ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت Expression text، 1 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست نوع خط ، لوله را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن بیان شعاع لوله ، 0.1 را تایپ کنید . |
7 | چک باکس Radius scale factor را انتخاب کنید . |
8 | از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید . |
9 | از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید . |
انتخاب 1
1 | روی خط 2 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 22-54، 57، 58، 61، 67-74، 78-93، 97-105، 107، 109، 111، 770-801، 811-817، 819، 823-829 را تایپ کنید. 831، 847-853، 855، 859-865، 867، 1510-1542، 1545، 1546، 1549، 1551-1558، 1562-1577، 1581-1539، 1581-1539، 1581، متن را انتخاب کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
خط 3
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Field Norm (سطح) کلیک راست کرده و Line را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای خط ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت Expression text، 1 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید . |
6 | از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید . |
انتخاب 1
1 | روی خط 3 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 66، 75، 94، 802، 820، 856، 1550، 1559، 1578، 467، 484، 508، 1239، 1255، 1278 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید. |
5 | روی OK کلیک کنید . |
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Field Norm (سطح) کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت Expression text esbe.normE را تایپ کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>ThermalWave را در درخت انتخاب کنید. |
7 | روی OK کلیک کنید . |
انتخاب 1
1 | روی Surface 1 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، در قسمت انتخاب متن، عدد 1 را تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
هنجار میدان الکتریکی (سطح)
در پنجره Model Builder ، در زیر Results روی Electric Field Norm (سطح) کلیک کنید .
ساده سازی چند تکه 1
1 | در نوار ابزار هنجار میدان الکتریکی (سطح) ، روی  More Plots کلیک کنید و گزینه Streamline Multislice را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Streamline Multislice ، بخش Multiplane Data را پیدا کنید . |
3 | زیربخش x-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش z-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید . |
5 | بخش Streamline Positioning را پیدا کنید . از لیست موقعیت یابی ، چگالی یکنواخت را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متنی Separating distance ، 0.02 را تایپ کنید . |
بیان رنگ 1
1 | روی Streamline Multislice 1 کلیک راست کرده و Color Expression را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Color Expression ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Expression text esbe.normE را تایپ کنید . |
هنجار میدان الکتریکی (سطح)
1 | در پنجره Model Builder ، در زیر Results روی Electric Field Norm (سطح) کلیک کنید . |
2 | در نوار ابزار Electric Field Norm (سطح) ، روی  Plot کلیک کنید . |
