理论研究 山柬工案技术 282
电场数值计算的常用方法
李文学
(三星数据系统(中国)有限公司,北京10001 5)
摘要:电场的数值计算在_T-程中有很大的应用价值,为此介绍了3种常用的电场数值计算方法:模拟电荷法、有限差分法、有限元法。主要
分析和比较了三种方法的原理、解题步骤和优缺点,三种方法的适用场合略有差别,指出了有限元法是比较适合实际工程计算电场的方法。
关键词:电场数值计算;模拟电荷法;有限差分法;有限元法
0引言
目前,我国电力系统正在大力建设特高压交流、直流输电线路,
随着输电线路电压等级的提高,将会带来一系列的问题,如设备的选
型、电磁干扰、绝缘间隙的设计等,这些问题和电场的数值和分布都
有着紧密的关系,因此有必要明确高压输电线路各个关键部位的电场
数值以及分布,以便于指导工程设计 J。
电场的测量和数值计算是两种常用的确定电场数值以及分布的方
法。电场测量的结果比较精确,但是需要大量的人力、物力和时间,
而且由于工况的不同,使得电场测量不能穷举,而电场数值计算能够
克服电场测量的缺点,并且计算出来的结果具有一定的指导意义,因
此广泛被工程和科研人员接受,用来计算输变电设备的电场分布、均
压环结构的设计和优化等 。常用的电场数值计算方法有模拟电荷法、
有限差分法和有限元法。本文介绍了三种电场数值计算方法的原理和
解题步骤,并从解决问题的普遍性、 肖耗的计算机资源等方面分析了
不同方法的优缺点。
1模拟电荷法
模拟电荷法是基于静电场唯一性定理提出来的能够求解静电场问
题的方法,通过虚设电荷的方法可以使电场在计算域内满足原始的边
界条件和分界面条件,然后对虚设电荷产生的场进行叠加,从而求出
未知的物理量。
1.1 静电场唯一性定理的证明
在静电场下,磁场的变化可以忽略,因此麦克斯韦方程组的微分
形式为v・ 一 ・( )一 ・(一v )一P也即vzP 一 。 根据求解域边界条件的不同,可将静电场问题分为以下两种情况:狄