Modellierung elektrischer und magnetischer Felder von Hochspannungsleitungen
Um die Sicherheit der Menschen und der Umwelt im Bereich von Hochspannungsleitungen zu gewährleisten, müssen die von ihnen erzeugten elektrischen und magnetischen Felder überwacht werden. Ingenieure können mithilfe von Modellierung und Simulation vorhersagen, wie sich diese Felder von den Stromleitungen ausbreiten und wie sich dies auf ihre Stärke in Bodennähe auswirkt. Sehen wir uns zwei Beispiele dafür an, wie die Software COMSOL Multiphysics® zur Analyse dieser von Hochspannungsleitungen erzeugten Felder eingesetzt werden kann.
Unsichtbare Lokalität der Energie
Ein großer Teil der Elektrizität, die wir täglich nutzen, stammt aus Hoch- und Niederspannungsleitungen, die sowohl elektrische als auch magnetische Felder (EMF) erzeugen. Hochspannungsleitungen leiten starke niederfrequente Ströme, die nicht-ionisierende EMF erzeugen, die mit zunehmender Entfernung schnell abklingen. Dennoch ist es wichtig, sowohl die Exposition als auch die Leistung dieser Felder zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie sich in einem für Menschen und Umwelt sicheren Rahmen bewegen.
Abbildung 1. Ein Modell zur Veranschaulichung von Hochspannungsleitungen, die Strom über große Entfernungen transportieren.
Als Nächstes werden wir uns mit zwei Beispielen befassen, die den Einsatz von Modellierung und Simulation für die Analyse der von Hochspannungsleitungen erzeugten elektrischen und magnetischen Felder veranschaulichen. Diese Beispiele konzentrieren sich auf die Stärke der Felder und ihre Verteilung in Bezug auf die Stromleitungen und -masten.
Zwei Hochspannungsleitungsmodelle
Die Modelle Elektrisches Feld einer Hochspannungsleitung und Magnetfeld einer Hochspannungsleitung aus unserer Application Gallery verfügen über zwei Masten, die Hochspannungswechselstrom übertragen. Die Masten sind mit zwei Abschirmungsleitungen über den Phasenleitungen ausgestattet, um Schäden durch Blitzeinschläge zu verhindern. Phasenleitungen bestehen in der Regel aus mehreren kleineren Leitern, die in Hochspannungsleitungen gebündelt sind. Der Einfachheit halber wird in den Modellen für jede Phasenleitung nur ein Leiter verwendet, dessen Radius auf 10 cm vergrößert wurde, um den Radius eines gebündelten Leiters nachzuahmen. In jedem Modell wird die Bodenebene als zufällig gestörte Oberfläche festgelegt, um die Unregelmäßigkeiten der Erde zu simulieren.
Abbildung 2. Links: Eine Hochspannungsleitung, Foto von David Levêque auf Unsplash. Rechts: Die Geometrie des Freileitungsmastes. Oben sind die beiden Abschirmungsleitungen zu sehen, während die drei Phasenleitungen von den Isolatoren gehalten werden.
Nachdem wir nun die geometrischen Grundlagen der beiden Modelle behandelt haben, wollen wir uns die Ergebnisse ansehen. (Die Schritt-für-Schritt-Anleitungen für den Aufbau dieser Modelle und die dazugehörigen MPH-Dateien können in den jeweiligen Einträgen in der Application Gallery heruntergeladen werden, die am Ende dieses Blog-Beitrags verlinkt sind.)
Modell des elektrischen Feldes
Im Modell des elektrischen Feldes kann der Benutzer die Spannungsamplitude und die Phase auf jeder Phasenleitung einstellen. (In dem Szenario in Abbildung 3 wurde die Spannung auf 400 kV eingestellt und die Phasen waren durch 120º getrennt). Darüber hinaus wird die Randelemente-Methode und ein festes Potenzial an allen Rändern und Oberflächen verwendet, so dass das Modell nur an diesen Stellen ein Netz benötigt. Im Gegensatz dazu würde die Finite-Elemente-Methode, bei der das Modell ein volumetrisches Netz für das gesamte Luftgebiet erstellen müsste, die Zahl der Freiheitsgrade drastisch erhöhen und die für die Lösung des Modells erforderliche Zeit verlängern.
Die Ergebnisse zeigen die Norm des elektrischen Feldes, das von den Drähten in Bodennähe erzeugt wird, und die Stromlinien, die die lokale Richtung des Feldes in der Luft angeben. Im Verhältnis zu den Stromleitungen bildet das elektrische Feld eine verzweigte Figur. Das Feld ist in der Nähe der Stromleitungen am stärksten und nimmt mit der Entfernung ab. Mit dem Wissen, wie weit sich die Felder ausbreiten, kann bestimmt werden, wie nahe Gebäude an Hochspannungsleitungen gebaut werden können, um die Exposition zu minimieren und die Einhaltung der Vorschriften zu gewährleisten.
Abbildung 3. Die Norm des elektrischen Feldes (Oberfläche) und das elektrische Feld (Stromlinien) der Übertragungsleitungen.
Modell des Magnetfeldes
Im Modell des Magnetfeldes leitet jede Phasenleitung einen Strom von 1000 A. Wie beim Modell des elektrischen Feldes sind auch in diesem Modell die Phasen durch 120º getrennt. Auf alle äußeren Ränder des Modells wird eine Standard-Randbedingung für die magnetische Isolierung angewendet.
Wie beim Modell des elektrischen Feldes zeigen auch die Ergebnisse des Modells des Magnetfeldes die Magnetfeldnorm, die von den Hochspannungsleitungen in Bodennähe erzeugt wird, wobei die Stromlinien die Richtung des Feldes anzeigen. Die Stromlinien bilden geschlossene Schleifen. Auch in diesem Modell ist das Magnetfeld in der Nähe der Hochspannungsleitungen am stärksten und nimmt mit der Entfernung ab.
Abbildung 4. Die Magnetfeldnorm (Oberfläche) und das Magnetfeld (Stromlinien) der Übertragungsleitungen.
Nächste Schritte
In diesem Blog-Beitrag haben wir zwei Modelle besprochen, die in COMSOL Multiphysics® erstellt werden können, um die Verteilung von durch Hochspannungsleitungen erzeugten elektrischen und magnetischen Feldern zu untersuchen. Modelle wie diese sind wichtig, um die Reichweite und das Verhalten von EMF zu messen, wodurch die Wechselwirkungen zwischen den EMF und der Umgebung besser verstanden werden kann.
Möchten Sie selbst EMF von Hochspannungsleitungen modellieren? Die oben beschriebenen Modelle mit Schritt-für-Schritt-Anleitungen finden Sie hier:
Weitere Lektüre
Lesen Sie mehr über die Bedeutung von Simulation bei der Untersuchung von EMF-Exposition im COMSOL Blog:
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