Современное состояние вопроса, исходные данные и требования

Рассмотрим пример моделирования ЭМП приведенный в книге Л.А. Бессонова.[6]

Рассмотрим, как производится моделирование двухмерного поля в ванне с материальной средой. В ванну с почвой помещают электроды (рис. 1.5.1). Форма и их взаимное расположение должны быть точно такими же, как и в изучаемом электростатическом поле. Для того чтобы стенки ванны меньше искажали исследуемое поле, линейные размеры ванны должны в несколько раз превышать соответствующие линейные размеры исследуемого участка поля.

Электроды соединяют с источником ЭДС низкой частоты (обычно 50 Гц). С помощью вспомогательного реостата Р, зонда и индикатора нуля И можно снять семейство эквипотенциальных линий в поле. Для этого движок реостата устанавливают в каком-либо фиксированном положении и, перемещая зонд так, чтобы индикатор показывал нуль, находят совокупность точек, потенциал которых равен потенциалу движка реостата. Далее перемещают движок реостата в новое положение и определяют координаты точек второй эквипотенциали и т. д. Затем по семейству эквипотенциалей строят сетку силовых линий. При построении последней руководствуются тем, что силовые линии в любой точке поля должны быть перпендикулярны экипотенциалям, в том числе и поверхностям электродов.

В электростатическом поле силовые линии перпендикулярны поверхностям электродов. В поле проводящей среды силовые линии, строго говоря, не совсем перпендикулярны поверхностям электродов. Но если проводимость электродов будет во много раз больше проводимости почвы, то с большой степенью точности можно считать, что силовые линии будут подходить к поверхностям электродов практически под прямым углом.

С помощью ванны с материальной средой можно моделировать и трехмерные поля. В этом случае ванну выполняют в виде куба или параллелепипеда, заполняют ее слабо проводящейся материальной средой, а перемещение зонда в трех взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивают специальным механическим приспособлением, находящимся вне ванны.[6]

Предложенное моделирование с помощью ванны с материальной средой имеет следующие недостатки: данная испытательная установка рассчитана на исследование однофазного напряжения, а в нашем случае целесообразно моделировать ЭМП трехфазного напряжения, так как трехфазное напряжение более перспективно для использования в процессе электрокультивации. Однако основные аспекты, изложенные в данном примере, могут быть применены и в нашей модели.

Проанализируем пример моделирования ЭМП двухпроводной линии электропередачи предложенный в качестве лабораторной работы по теоретическим основам электротехники Новосибирской академии водного транспорта.

В качестве модели использовали электролитическую ванну (рис. 1.5.2) представляющую собой плоский открытый сосуд, изготовленный из органического стекла и наполненную проводящей жидкостью (электролитом). В данном случае в качестве электролита использовали слабые растворы соли в воде причем электропроводность данного электролита должна быть в пределах (1-3) 10-2 1/Ом . м. В качестве материала для  электродов использовали материалы с большой удельной электропроводностью и слабо коррозирующих в электролите (медь, бронза, нержавеющая сталь и др.)  В ванне размещают электроды, моделирующие провода и землю. Электроды должны опираться на дно ванны и выступать над уровнем электролита. Важным условием при моделировании является то, что модель должна выполняться в некотором масштабе с исследуемой конструкцией (натурой). На модель подается переменное напряжение от блока питания с гнездом 1 - 130В. Для безопасности проведения опыта наибольшее напряжение на электродах модели делают в пределах 10-30В. Потенциалы электродов устанавливаются с помощью делителя напряжения, в качестве которого используют реостат. Для измерения токов и напряжений используют миллиамперметры и электронный вольтметр. Потенциалы точек поля измеряются относительно электрода ’’земля’’ электронным вольтметром, который соединен с зондом, погруженным в электролит. Координаты точек поля определяются с помощью линеек на стенках ванны и подвижной каретки с зондом. По координатам точка наносится на лист масштабно-координатной бумаги в масштабе 1:1 с моделью. Далее по этим точкам строят картину ЭМП.[10]

Данная испытательная установка рассчитана на исследование ЭМП двухпроводной линии электропередач. Данный способ моделирования может быть взят за основу при моделировании ЭМП ЭТК только после изменения источника питания на трехфазный и модернизации зондов-измерителей потенциалов точек поля в соответствии с новыми требованиями.

В силу вышеперечисленных недостатков моделирования в электролитической ванне часто прибегают к моделированию на твердых моделях, которые лишены этих недостатков.

Твердая модель для моделирования двухмерных полей представляет собой лист электропроводной бумаги (в обычную бумагу при ее изготовлении добавлена сажа или графит), на которую ставят металлические электроды и к ним подводят постоянное или синусоидальное напряжение. Ток проходит по бумаге от одного электрода к другому. Семейство эквипотенциалей получают так же, как и в ванне. Бумага характеризуется своей удельной поверхностной проводимостью на единицу длины и ширины, которая много меньше удельной проводимости металлических электродов.

На практике используют твердые модели двух типов, один из них назовем исходным (в нем расположение электродов соответствует расположению электродов в исследуемом электростатическом поле) и другой - дуальным или обращенным (в нем электроды располагают по граничным силовым линиям исходной модели).

Силовые и эквипотенциальные линии в исходной и дуальной моделях меняются местами.

В качестве примера на рис. 1.5.3, а показана картина поля в исходной твердой модели. Электроды показаны утолщенными линиями. На рис. 1.5.3. б - картина поля для дуальной модели. В верхней части дуальной модели на рис. 1.5.3. б помещена узкая металлическая полоска, выполняющая роль эквипотенциальной линии. Если в поле имеется симметрия, то она должна быть обеспечена и в дуальной модели.[6]

Данный способ моделирования не дает возможности получить ЭМП в объеме, что является существенным недостатком. Кроме того, такое моделирование не обеспечивает в МЭП среды с необходимой электропроводностью, так как используемые при моделировании листы электропроводной бумаги имеют ограниченные пределы изменения электропроводности. В следствии выше перечисленных недостатков данный метод моделирования не может быть взят за основу в нашем случае. 

Моделирование ЭМП путем замены, с допущением известной степени приближения, большим числом элементов, составленных из сопротивлений, т. е. замена электрической решеткой или сеткой имеет довольно широкий спектр применения, поэтому его можно использовать и в нашем случае. Однако в силу малой точности данного метода, он не может быть основным. 

Проанализировав методики расчетов ЭМП можно утверждать, что для расчета ЭМП электродной системы ЭТК целесообразно применять методы расчета основанные на МКЭ или МКР. В качестве средства упрощения сложных расчетов можно пользоваться программными комплексами. При расчете и моделировании ЭМП в объеме целесообразно пользоваться программным комплексом Femlab, а для расчетов ЭМП на плоскости можно пользоваться менее сложной программой ELCUT. В качестве датчиков ЭМП можно использовать точечные электроды.