為確保電力輸電線周圍人員和環(huán)境的安全，工程師必須對電力線產(chǎn)生的電場和磁場進行監(jiān)控。通過多物理場仿真，工程師能夠預測電力線產(chǎn)生的場如何從電力線中擴散，以及如何影響其輻射至地面的強度。這篇文章，我們將使用兩個示例模型來說明如何使用 COMSOL Multiphysics 軟件分析由電力線產(chǎn)生的電磁場。

無形的能量場

我們?nèi)粘Ｊ褂玫拇蟛糠蛛娏Χ紒碜愿邏褐恋蛪旱碾娏旊娋€，這些電力線會產(chǎn)生電場和磁場（EMF）。電力線可以傳導強低頻電流，產(chǎn)生隨距離的增加而迅速減弱的非電離電磁場。盡管如此，為了確保電力線對周圍人群和環(huán)境的影響保持在安全范圍內(nèi)，對其產(chǎn)生的電磁場的暴露水平和輻射強度進行監(jiān)控仍然非常重要。

圖片圖1. 電力輸電線遠距離輸電的模型。

接下來，我們將通過兩個模型來探討如何利用仿真分析電力輸電線產(chǎn)生的電場和磁場，這些示例將重點關注場強及其與電力線和鐵塔之間的分布關系。

如何建立兩種電力線模型

您可以在 COMSOL 庫中找到電力線的電場和電力線的磁場教程模型，模型中用兩個塔架傳輸高壓三相交流電。鐵塔的相線上方裝有兩條屏蔽線，用于防止雷擊造成的損壞。在如此高電壓的電力線路中，相線通常由若干較小的導線捆束而成。為了簡化模型，每條相線只使用一根半徑為 10 厘米的導線來模擬一束導線。在每個模型中，都將地平面設置為隨機擾動面，以模擬地球表面的不規(guī)則性。

圖2. 左圖：電力輸電線的照片，由 David Levêque 拍攝，圖片來自 Unsplash 。右圖：輸電塔的幾何形狀。可以看到頂部的兩條屏蔽線，以及由絕緣子固定的三條相線。

我們已經(jīng)介紹了這兩個模型的基本幾何結構，接下來，讓我們來看看它們各自的仿真結果。

電場模型

在電場模型中，用戶可以設置每條相線的電壓幅值和相位。(在圖3所示的場景中，電壓設置為 400kV，相間隔為 120 。）此外，由于使用了邊界元法，以及所有的邊和表面均為固定電勢，因此模型只需要在這些實體上建立網(wǎng)格。相比之下，采用有限元法時，模型需要在整個空氣域內(nèi)創(chuàng)建體網(wǎng)格，這將大大增加自由度的數(shù)量，并延長模型求解所需的時間。

仿真結果顯示了線路在地表產(chǎn)生的電場模，以及空氣中指示局部電場方向的流線。在電線附近，電場形成了一個分支圖形。電場在靠近電線的地方強，隨著距離的增加而減弱。了解電場的傳播距離可以幫助工程師確定建筑物與電力線的安全距離，從而限度地減少暴露，并確保電場強度符合相關規(guī)定。

圖3. 電力輸電線的電場模（表面圖）和電場（流線圖）。

磁場模型

在磁場模型中，每條相線都能傳導 1000A 的電流。與電場模型一樣，磁場模型中的相也間隔 120。模型中的所有外部邊界都采用了默認的磁絕緣邊界條件。

與電場模型一樣，磁場模型的結果也顯示了線路在地面上產(chǎn)生的磁場模和指示磁場方向的流線，這些流線形成閉合回路。該模型中的磁場也是在靠近電線的地方強，隨著距離的增加而減弱。

圖4. 電力輸電線的磁場模（表面圖）和磁場（流線圖）。

下一步

本文討論了使用 COMSOL Multiphysics 建立的兩個用于檢查電力輸電線產(chǎn)生的電場和磁場分布的模型。這些模型對于評估電磁場的空間分布和行為模式非常重要，可以幫助我們進一步了解電磁場如何與周圍環(huán)境相互作用。