COMSOL－电力输电线的电场和磁场仿真

为确保电力输电线周围人员和环境的安全，工程师必须对电力线产生的电场和磁场进行监控。通过多物理场仿真，工程师能够预测电力线产生的场如何从电力线中扩散，以及如何影响其辐射至地面的强度。这篇文章，我们将使用两个示例模型来说明如何使用 COMSOL Multiphysics 软件分析由电力线产生的电磁场。

无形的能量场

我们日常使用的大部分电力都来自高压至低压的电力输电线，这些电力线会产生电场和磁场（EMF）。电力线可以传导强低频电流，产生随距离的增加而迅速减弱的非电离电磁场。尽管如此，为了确保电力线对周围人群和环境的影响保持在安全范围内，对其产生的电磁场的暴露水平和辐射强度进行监控仍然非常重要。

　　图1. 电力输电线远距离输电的模型。

接下来，我们将通过两个模型来探讨如何利用仿真分析电力输电线产生的电场和磁场，这些示例将重点关注场强及其与电力线和铁塔之间的分布关系。
　　
如何建立两种电力线模型

您可以在 COMSOL 库中找到电力线的电场和电力线的磁场教程模型，模型中用两个塔架传输高压三相交流电。铁塔的相线上方装有两条屏蔽线，用于防止雷击造成的损坏。在如此高电压的电力线路中，相线通常由若干较小的导线捆束而成。为了简化模型，每条相线只使用一根半径为 10 厘米的导线来模拟一束导线。在每个模型中，都将地平面设置为随机扰动面，以模拟地球表面的不规则性。

　　图2. 左图：电力输电线的照片，由 David Levêque 拍摄，图片来自 Unsplash 。右图：输电塔的几何形状。可以看到顶部的两条屏蔽线，以及由绝缘子固定的三条相线。

我们已经介绍了这两个模型的基本几何结构，接下来，让我们来看看它们各自的仿真结果。
　　
电场模型
　　
在电场模型中，用户可以设置每条相线的电压幅值和相位。(在图3所示的场景中，电压设置为 400kV，相间隔为 120 。）此外，由于使用了边界元法，以及所有的边和表面均为固定电势，因此模型只需要在这些实体上建立网格。相比之下，采用有限元法时，模型需要在整个空气域内创建体网格，这将大大增加自由度的数量，并延长模型求解所需的时间。

仿真结果显示了线路在地表产生的电场模，以及空气中指示局部电场方向的流线。在电线附近，电场形成了一个分支图形。电场在靠近电线的地方强，随着距离的增加而减弱。了解电场的传播距离可以帮助工程师确定建筑物与电力线的安全距离，从而限度地减少暴露，并确保电场强度符合相关规定。

图3. 电力输电线的电场模（表面图）和电场（流线图）。

磁场模型
　　
在磁场模型中，每条相线都能传导 1000A 的电流。与电场模型一样，磁场模型中的相也间隔 120?。模型中的所有外部边界都采用了默认的磁绝缘边界条件。

与电场模型一样，磁场模型的结果也显示了线路在地面上产生的磁场模和指示磁场方向的流线，这些流线形成闭合回路。该模型中的磁场也是在靠近电线的地方强，随着距离的增加而减弱。

　图4. 电力输电线的磁场模（表面图）和磁场（流线图）。

下一步
　　
本文讨论了使用 COMSOL Multiphysics? 建立的两个用于检查电力输电线产生的电场和磁场分布的模型。这些模型对于评估电磁场的空间分布和行为模式非常重要，可以帮助我们进一步了解电磁场如何与周围环境相互作用。