Электрическое поле трёхфазного кабеля 2D

Рассмотрим поперечное сечение трёхжильного кабеля. Внутри заземлённой металлической оболочки (на ней потенциал φ=0\varphi = 0) расположены три токопроводящие жилы — фазы A, B и C, симметрично через 120°. Между жилами и оболочкой — диэлектрик без свободных зарядов, поэтому потенциал электростатического поля удовлетворяет уравнению Лапласа, а каждая жила является эквипотенциалью с мгновенным фазным напряжением (условие Дирихле):

{2φx2+2φy2=0,(x,y)Ω,φΓk=Vk(t),k=A,B,C,φΩ=0.\begin{cases} \dfrac{\partial^2 \varphi}{\partial x^2} + \dfrac{\partial^2 \varphi}{\partial y^2} = 0, & (x, y) \in \Omega,\\[2mm] \varphi\big|_{\Gamma_k} = V_k(t), \quad k = A, B, C,\\[1mm] \varphi\big|_{\partial \Omega} = 0. \end{cases}
(7.33)

Здесь Ω\Omega — диэлектрик (область между жилами и оболочкой), Γk\Gamma_k — границы жил, Ω\partial \Omega — внутренняя поверхность оболочки. Напряжения на жилах образуют симметричную трёхфазную систему. Для сети с линейным напряжением 380 В фазное действующее равно 220 В, то есть амплитуда Um=2202311 ВU_m = 220\sqrt{2} \approx 311\ \text{В}:

VA=Umsinθ,VB=Umsin ⁣(θ2π3),VC=Umsin ⁣(θ+2π3),θ=ωt.\begin{aligned} V_A &= U_m \sin \theta,\\ V_B &= U_m \sin\!\left(\theta - \tfrac{2\pi}{3}\right),\\ V_C &= U_m \sin\!\left(\theta + \tfrac{2\pi}{3}\right), \end{aligned} \qquad \theta = \omega t.
(7.34)

Поскольку VA+VB+VC=0V_A + V_B + V_C = 0, картина поля непрерывно перетекает, оставаясь симметричной. Задачу (7.33) решаем численно методом конечных элементов на треугольной сетке: слабая форма ΩφvdΩ=0\int_\Omega \nabla \varphi \cdot \nabla v \, d\Omega = 0 при заданных значениях φ на жилах и оболочке. Для каждого мгновения θ — своя правая часть (свои отношения потенциалов), поэтому ниже последовательно решается серия краевых задач, имитирующая ход синусоид.

Рис. 7.4. Численное (МКЭ) электростатическое поле трёхфазного кабеля. Цветом показана карта потенциала φ\varphi (синий — минус, красный — плюс), в жилах — мгновенные напряжения. Кнопка ∇ накладывает векторы поля E=φ\mathbf{E} = -\nabla \varphi, кнопка ▶ запускает анимацию хода синусоид.