FEMM 5

Электрическое поле тока · Осесимметричная

Полусферический заземлитель и потенциал поверхности грунта

Полусферический электрод радиуса 0.1 м лежит в однородном полупространстве грунта. Внешняя эквипотенциальная полусфера имеет радиус 10 м. Удельное сопротивление грунта 100 Ом м; электрод 100 В, удалённая граница 0 В. Модель осесимметричная.

Работа связывает полевое распределение с измеряемой электротехнической величиной. Все исходные данные заданы в программе; принятые идеализации сформулированы до расчёта. Основной результат проверяется независимой формулой или балансом, а чувствительность к геометрии исследуется отдельными вариантами.

Самостоятельная учебная модель FEMM 5: от физических соотношений к полевому решению и проверке результата.

Допущения и устройство учебной модели

Все размеры, свойства материалов и условия возбуждения заданы ниже. Численные результаты относятся к опубликованной версии модели FEMM 5.

Физическая и математическая постановка

Теория и физическая постановка

Изолированная поверхность грунта не выпускает постоянный ток в воздух. Поэтому ток от полусферического электрода растекается через полусферические поверхности площади 2πr². Интегрирование радиального поля даёт аналитическое сопротивление. Для конечного внешнего радиуса в формуле обязательно остаётся член 1/R.

Правая нижняя четверть рисунка при вращении вокруг вертикальной оси создаёт полусферический объём, а не бесконечно длинный цилиндр. Это позволяет избежать ошибочной интерпретации плоской модели трёх стержней как пространственного заземлителя. На оси действует естественное условие симметрии, верхний горизонтальный участок изолирован.

Программа также измеряет потенциал поверхности на расстоянии 1 и 2 м от оси. Разность между потенциалом электрода и потенциалом грунта в выбранной точке обозначена учебным напряжением прикосновения без учёта тела и растекания через стопы. Она характеризует только заданное поле грунта и не является расчётом допустимого воздействия на человека.

R_g=\frac{\rho}{2\pi}\left(\frac1a-\frac1R\right),\quad U(r)=\frac{I\rho}{2\pi}\left(\frac1r-\frac1R\right)

Как читать расчёт

Программа строит три сетки, сохраняет каждую модель, закрывает её и повторно открывает перед решением. Поэтому проверка относится к точному записанному файлу с русскими именами материалов, проводников и граничных условий. Результаты каждой серии находятся в новой папке calculated-XX рядом с программой; предыдущая серия не перезаписывается.

В result.json массив records содержит расчётные величины и параметры сетки, checks — фактические отклонения, допустимые пределы и логический результат. Проверяйте все критерии одновременно. Совпадение одной точки с ориентиром не заменяет проверки баланса и изменения результата по сетке. Для итерационной обратной связи отдельно контролируется сходимость итераций; она не является оценкой пространственной погрешности.

Практическое исследование

Увеличьте внешний радиус и сравните сопротивление с пределом ρ/(2πa). Количественно оцените ошибку усечения области и отделите её от погрешности сетки.

Измените радиус электрода и сопротивление грунта. Объясните различие между изменением сопротивления заземлителя при фиксированном токе и изменением тока при фиксированном напряжении.

Постройте профиль потенциала поверхности и разности между двумя точками с постоянным шагом. Не называйте эту разность фактическим напряжением шага человека без модели контакта с грунтом и дополнительных исходных данных.

Исходные данные

Полусферический электрод радиуса 0.1 м лежит в однородном полупространстве грунта. Внешняя эквипотенциальная полусфера имеет радиус 10 м. Удельное сопротивление грунта 100 Ом м; электрод 100 В, удалённая граница 0 В. Модель осесимметричная.

Величины, единицы и происхождение параметров
ПараметрЗначениеЕдиницаПроисхождение
Радиус электрода0,1мПринято в учебной постановке
Внешний радиус10мПринято в учебной постановке
Удельное сопротивление грунта100Ом мПринято в учебной постановке
Потенциал электрода100ВПринято в учебной постановке

Порядок воспроизведения

  1. Скопируйте reproduce.py в отдельную рабочую папку и откройте встроенным редактором Python FEMM 5. Проверьте заданные параметры и единицы, затем выполните программу целиком. Внешний модуль pyFEMM для этой программы не используется.
  2. Откройте модель и решение окончательной сетки. Сопоставьте материалы, проводники и границы с теорией. Для осесимметричной задачи найдите ось вращения и объясните, какие поверхности образуются при вращении каждой линии поперечного рисунка.
  3. Составьте таблицу трёх сеток и приведите независимый расчёт по формуле. Для серии из нескольких геометрий сравнивайте только результаты одной и той же сетки, затем отдельно исследуйте её уточнение. Укажите абсолютные и относительные ошибки с единицами.
  4. Выполните предложенные варианты по одному. До запуска предскажите знак и примерный масштаб эффекта. В отчёте объясните, какие величины действительно определяет модель, какие параметры остаются предположениями и что пришлось бы уточнить для реального изделия.

Скачайте нужные файлы по отдельным ссылкам ниже в одну рабочую папку, затем откройте reproduce.py во встроенном Python FEMM 5 и выполните его. Сохраните имена файлов и структуру подпапок. Условия конкретного запуска и путь новых результатов указаны в комментариях программы.

Программа встроенного Python FEMM 5
Python · reproduce.py
"""Самостоятельная лабораторная работа курса FEMM 5.
Запуск: встроенный MicroPython FEMM 5, команды FEMM доступны непосредственно.
Геометрические координаты и глубина — мм; результаты интегралов — единицы СИ.
Данные, допущения, аналитические ориентиры и ход исследования заданы в README.md.
Каждая серия записывается в новую calculated-XX; прежние результаты сохраняются.
Сохранённая модель закрывается и открывается до расчёта, включая русские имена.
"""

import os
import sys
import json
import math

script = globals().get("__file__", "") or (sys.argv[0] if sys.argv else "")
base = os.path.dirname(os.path.abspath(script)) if script else os.getcwd()
index = 1
while "calculated-%02d" % index in os.listdir(base):
    index += 1
directory = base + "/calculated-%02d" % index
os.mkdir(directory)
records = []
checks = []


def real(value):
    if isinstance(value, (tuple, list)):
        return real(value[0])
    return complex(value).real


def check(name, value, limit):
    checks.append(
        {
            "name": name,
            "value": value,
            "limit": limit,
            "passed": math.isfinite(value) and value <= limit,
        }
    )


def polygon(prefix, points):
    for x, y in points:
        globals()[prefix + "_addnode"](x, y)
    for i, (x, y) in enumerate(points):
        x2, y2 = points[(i + 1) % len(points)]
        globals()[prefix + "_addsegment"](x, y, x2, y2)


def geometry(prefix, job, mesh):
    if job.get("polygon"):
        polygon(prefix, job["polygon"])
    for x1, y1, x2, y2 in job.get("interfaces", []) + job.get("segments", []):
        globals()[prefix + "_addnode"](x1, y1)
        globals()[prefix + "_addnode"](x2, y2)
        globals()[prefix + "_addsegment"](x1, y1, x2, y2)
    for x1, y1, x2, y2, angle, name in job.get("arcs", []):
        globals()[prefix + "_addnode"](x1, y1)
        globals()[prefix + "_addnode"](x2, y2)
        globals()[prefix + "_addarc"](x1, y1, x2, y2, angle, 1)
        cx, cy = job.get("arc_center", (0, 0))
        mx = (x1 + x2) / 2 - cx
        my = (y1 + y2) / 2 - cy
        radius = math.sqrt((x1 - cx) ** 2 + (y1 - cy) ** 2)
        factor = radius / math.sqrt(mx * mx + my * my)
        globals()[prefix + "_selectarcsegment"](cx + mx * factor, cy + my * factor)
        if prefix == "ci":
            ci_setarcsegmentprop(1, "<None>", 0, 0, name or "<None>")
        else:
            hi_setarcsegmentprop(1, name or "<None>", 0, 0, "<None>")
        globals()[prefix + "_clearselected"]()
    for x, y, radius, name in job.get("circles", []):
        globals()[prefix + "_addnode"](x - radius, y)
        globals()[prefix + "_addnode"](x + radius, y)
        globals()[prefix + "_addarc"](x - radius, y, x + radius, y, 180, 1)
        globals()[prefix + "_addarc"](x + radius, y, x - radius, y, 180, 1)
        globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y + radius)
        globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y - radius)
        if prefix == "ci":
            ci_setarcsegmentprop(1, "<None>", 0, 0, name or "<None>")
        else:
            hi_setarcsegmentprop(1, name or "<None>", 0, 0, "<None>")
        globals()[prefix + "_clearselected"]()
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        globals()[prefix + "_addblocklabel"](x, y)
        globals()[prefix + "_selectlabel"](x, y)
        globals()[prefix + "_setblockprop"](
            name,
            0,
            mesh
            * job.get("block_mesh_multipliers", {}).get(
                str(group), job.get("mesh_multipliers", {}).get(name, 1)
            ),
            group,
        )
        globals()[prefix + "_clearselected"]()


def current(job, mesh, stem):
    newdocument(3)
    ci_probdef("millimeters", job.get("type", "planar"), 0, 1e-10, job["depth"], 30)
    for name, sx, sy in job["materials"]:
        ci_addmaterial(name, sx, sy, 1, 1, 0, 0)
    for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
        ci_addconductorprop(name, voltage, amperes, kind)
    geometry("ci", job, mesh)
    for x, y, name in job.get("electrode_segments", []):
        ci_selectsegment(x, y)
        ci_setsegmentprop("<None>", mesh, 0, 0, 0, name)
        ci_clearselected()
    path = directory + "/" + stem + ".fec"
    ci_saveas(path)
    ci_close()
    opendocument(path)
    ci_analyze(1)
    ci_loadsolution()
    co_smooth("off")
    terminals = {}
    terminal_power = 0
    balance = 0
    current_scale = 0
    for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
        u, i = co_getconductorproperties(name)
        terminals[name] = {"U_V": real(u), "I_A": real(i)}
        terminal_power += real(complex(u) * complex(i).conjugate())
        balance += complex(i)
        current_scale = max(current_scale, abs(complex(i)))
    powers = {}
    power = 0
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        if name == "<No Mesh>":
            continue
        co_groupselectblock(group)
        powers[str(group)] = real(co_blockintegral(0))
        power += powers[str(group)]
        co_clearblock()
    samples = []
    for x, y in job.get("samples", []):
        values = co_getpointvalues(x, y)
        samples.append(
            {
                "x_mm": x,
                "y_mm": y,
                "U_V": real(values[0]),
                "J_A_m2": math.sqrt(
                    abs(complex(values[1])) ** 2 + abs(complex(values[2])) ** 2
                ),
            }
        )
    row = {
        "model": stem + ".fec",
        "mesh_mm": mesh,
        "nodes": co_numnodes(),
        "elements": co_numelements(),
        "terminals": terminals,
        "P_W": power,
        "group_power_W": powers,
        "samples": samples,
        "current_balance_relative": abs(balance) / current_scale,
        "power_balance_relative": abs(power - terminal_power) / max(power, 1e-30),
    }
    check(stem + ": баланс токов", row["current_balance_relative"], 1e-6)
    check(stem + ": баланс мощности", row["power_balance_relative"], 1e-6)
    co_close()
    ci_close()
    return row


def heat(job, mesh, stem):
    newdocument(2)
    hi_probdef("millimeters", job.get("type", "planar"), 1e-10, job["depth"], 30)
    for name, kx, ky, q in job["materials"]:
        hi_addmaterial(name, kx, ky, q, 0)
    for boundary in job["boundaries"]:
        name, kind, temp, ambient, h = boundary[:5]
        beta = boundary[5] if len(boundary) > 5 else 0
        hi_addboundprop(name, kind, temp, 0, ambient, h, beta)
    geometry("hi", job, mesh)
    for x, y, name in job.get("boundary_segments", []):
        hi_selectsegment(x, y)
        hi_setsegmentprop(name, job.get("boundary_mesh", mesh), 0, 0, 0, "<None>")
        hi_clearselected()
    path = directory + "/" + stem + ".feh"
    hi_saveas(path)
    hi_close()
    opendocument(path)
    hi_analyze(1)
    hi_loadsolution()
    ho_smooth("off")
    averages = {}
    generated = 0
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        ho_groupselectblock(group)
        averages[str(group)] = real(ho_blockintegral(0))
        volume = real(ho_blockintegral(2))
        q = [m[3] for m in job["materials"] if m[0] == name][0]
        generated += q * volume
        ho_clearblock()
    samples = []
    for x, y in job.get("samples", []):
        samples.append({"x_mm": x, "y_mm": y, "T_K": real(ho_getpointvalues(x, y)[0])})
    convection = 0
    for x1, y1, x2, y2, ambient, h in job.get("convection_edges", []):
        count = 200
        total = 0
        for n in range(count + 1):
            t = real(
                ho_getpointvalues(
                    x1 + (x2 - x1) * n / count, y1 + (y2 - y1) * n / count
                )[0]
            )
            total += (0.5 if n in (0, count) else 1) * (t - ambient)
        length = math.sqrt((x2 - x1) ** 2 + (y2 - y1) ** 2) * 0.001
        convection += total / count * length * job["depth"] * 0.001 * h
    row = {
        "model": stem + ".feh",
        "mesh_mm": mesh,
        "nodes": ho_numnodes(),
        "elements": ho_numelements(),
        "samples": samples,
        "group_average_K": averages,
        "generated_W": generated,
        "convection_W": convection,
    }
    if job.get("convection_edges") and not job.get("skip_convection_balance"):
        check(
            stem + ": баланс конвективного теплоотвода",
            abs(convection - generated) / max(generated, 1e-30),
            0.005,
        )
    ho_close()
    hi_close()
    return row


JOB = {
    "type": "axi",
    "depth": 1,
    "materials": [["Однородный грунт", 0.01, 0.01]],
    "terminals": [
        ["Полусферический электрод", 100, 0, 1],
        ["Удалённая земля", 0, 0, 1],
    ],
    "blocks": [
        [110, -110, "Однородный грунт", 1],
        [230, -230, "Однородный грунт", 2],
        [530, -530, "Однородный грунт", 3],
        [2000, -2000, "Однородный грунт", 4],
    ],
    "block_mesh_multipliers": {"1": 1, "2": 2, "3": 5, "4": 80},
    "segments": [[100, 0, 10000, 0], [0, -100, 0, -10000]],
    "arcs": [
        [0, -100, 100, 0, 90, "Полусферический электрод"],
        [0, -200, 200, 0, 90, ""],
        [0, -500, 500, 0, 90, ""],
        [0, -1000, 1000, 0, 90, ""],
        [0, -10000, 10000, 0, 90, "Удалённая земля"],
    ],
    "samples": [[1000, 0], [2000, 0]],
}
for level, mesh in enumerate((8, 4, 2)):
    row = current(JOB, mesh, "model-%02d" % (level + 1))
    amperes = abs(row["terminals"]["Полусферический электрод"]["I_A"])
    row["R_ohm"] = 100 / amperes
    row["touch_1m_V"] = 100 - row["samples"][0]["U_V"]
    reference = 100 / (2 * math.pi) * (1 / 0.1 - 1 / 10)
    check(
        "Сопротивление ограниченной полусферической области",
        abs(row["R_ohm"] / reference - 1),
        0.002,
    )
    for sample in row["samples"]:
        expected = 100 * (1 / (sample["x_mm"] * 0.001) - 1 / 10) / (1 / 0.1 - 1 / 10)
        check(
            "Потенциал поверхности, сетка %d" % (level + 1),
            abs(sample["U_V"] - expected),
            0.1,
        )
    records.append(row)
check(
    "Сходимость сопротивления заземлителя",
    abs(records[-1]["R_ohm"] / records[-2]["R_ohm"] - 1),
    0.002,
)

result = {
    "runtime": "FEMM 5; embedded MicroPython",
    "records": records,
    "checks": checks,
    "passed": all(item["passed"] for item in checks),
}
with open(directory + "/result.json", "w") as output:
    json.dump(result, output)
print(json.dumps(result))
assert result["passed"]

Картина рассчитанного поля

Потенциал, В: model-03.anc
Визуализация сохранённого решения FEMM 5 model-03.anc. Электрический потенциал по сохранённым узловым значениям. Показана расчётная область. Контуры деталей взяты из той же модели. Области вне сохранённых треугольников не заполняются. Это научный график сохранённых данных. Нажмите на карту, чтобы открыть её отдельно и увеличить.

Окна FEMM 5

Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.

Увеличенный меридиональный разрез полусферического заземлителя радиусом 100 мм в однородном грунте. Дуги 200, 500 и 1000 мм задают области сетки; удалённая граница 10 м за кадром.
Увеличенный меридиональный разрез полусферического заземлителя радиусом 100 мм в однородном грунте. Дуги 200, 500 и 1000 мм задают области сетки; удалённая граница 10 м за кадром. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Полусферический заземлитель и потенциал поверхности грунта». Модуль потенциала |V|, В, и эквипотенциали грунта при стационарном растекании тока с полусферического электрода. Увеличенная область; удалённая граница за кадром.
Сохранённое решение «Полусферический заземлитель и потенциал поверхности грунта». Модуль потенциала |V|, В, и эквипотенциали грунта при стационарном растекании тока с полусферического электрода. Увеличенная область; удалённая граница за кадром. Открыть в полном размере

Результаты и численные проверки

Сохранено решений FEMM: 3. Выполнено проверок: 16. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.

Результаты расчётов и производные итоги
Сопротивление, ОмМасштаб сетки, ммМощность области, ВтНапряжение прикосновения на расстоянии 1 м, ВЭлементовКонтрольные точкиЭлектродыОтносительная невязка токаОтносительная невязка мощностиМощность, ВтУзловМодель
157,3289584 полей; полные данные JSON90,919776123592 точек; полные данные JSON2 полей; полные данные JSON731,34282 × 10⁻¹²80,794227 × 10⁻¹²63,5610946403model-01.fec
157,4642544 полей; полные данные JSON90,927348210612 точек; полные данные JSON2 полей; полные данные JSON766,41053 × 10⁻¹²9,991002 × 10⁻¹²63,50647810790model-02.fec
157,5091224 полей; полные данные JSON90,928142598122 точек; полные данные JSON2 полей; полные данные JSON1,6414201 × 10⁻⁹381,93711 × 10⁻¹²63,48838730249model-03.fec
Проверки опубликованного расчёта
КритерийПолученоДопуск или ожидаемое значениеИтог
model-01: баланс токов731,3 × 10⁻¹²1e-06Выполнен
model-01: баланс мощности80,79 × 10⁻¹²1e-06Выполнен
Сопротивление ограниченной полусферической области0,0014880,002Выполнен
Потенциал поверхности, сетка 10,010690,1Выполнен
Потенциал поверхности, сетка 10,0055040,1Выполнен
model-02: баланс токов766,4 × 10⁻¹²1e-06Выполнен
model-02: баланс мощности9,991 × 10⁻¹²1e-06Выполнен
Сопротивление ограниченной полусферической области629,2 × 10⁻⁶0,002Выполнен
Потенциал поверхности, сетка 20,018260,1Выполнен
Потенциал поверхности, сетка 20,0020880,1Выполнен
model-03: баланс токов1,641 × 10⁻⁹1e-06Выполнен
model-03: баланс мощности381,9 × 10⁻¹²1e-06Выполнен
Сопротивление ограниченной полусферической области344,5 × 10⁻⁶0,002Выполнен
Потенциал поверхности, сетка 30,019050,1Выполнен
Потенциал поверхности, сетка 30,0044270,1Выполнен
Сходимость сопротивления заземлителя284,9 × 10⁻⁶0,002Выполнен

Допуски относятся к указанной учебной задаче и способу сравнения. Число показанных цифр не означает такой же физической точности.

Модели, решения и программа

Для нового расчёта сохраните программу, модели и необходимые данные в одну рабочую папку, сохраняя структуру подпапок.

Полные численные результаты

Границы применимости