Das elektrische Feld

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Das elektrische Feld
Folie 1
Das elektrische Feld
Übersicht
1. Grundlagen zum elektrischen Feld
2. Elektrostatisches Feld
3. Nicht-statische Felder
4. Analytische Berechnung statischer Felder
55. Homogenitätsgrad
g
g
6. Numerische Feldberechnung
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Folie 2
1. Grundlagen zum elektrischen Feld
El kt i h L
Elektrische
Ladung
d
und
d elektrisches
l kt i h Feld
F ld
Quellen
Ladungen
Zeitlich änderndes Magnetfeld
Kraft
Probeladung q in einem Feld E, so wirkt die Kraft
F = q⋅E ,
wobei
b i q so klein
kl i ist,
i t dass
d
d
das el.l Feld
F ld nicht
i ht verändert
ä d t wird.
id
Diese Kraftwirkung ist für die Entladung von zentraler Bedeutung.
Elementarladung
Kleinstmögliches q ist die Elementarladung e-: Alle Ladungen sind
ganzzahlige Vielfache der Elementarladung – ein Faktum welches bis heute
ein unerklärtes Rätsel ist.
ist
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Das elektrische Feld
Folie 3
1. Grundlagen zum elektrischen Feld
Gö
Grösse
der
d Kraft
K ft durch
d
h Ladungen
L d
Coulombkraft versus Gravitationskraft (für Elektron/Proton)
FCoulomb FGravitation = 2.3 ⋅1039
Universum
i
Astronomisch dominiert die Gravitation, da Universum ladungsneutral ist:
Ladung lässt sich nur in sehr geringen Massen trennen!
Beschreibung der elektrischen Felder
g
ist für den Entladungsaufbau
g
nur das elektrische Feld
• im Allgemeinen
relevant
• dessen Zeitabhängigkeit, örtlicher Verlauf und Grösse sind für den
Entladungsaufbau entscheidend
• oft ist E durch die Elektrostatik bestimmt
⇒ Im Folgenden: Schwerpunkt Elektrostatik
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Folie 4
1. Grundlagen zum elektrischen Feld
El kt d
Elektrodynamik
ik
Maxwell-Gleichungen
∂∂D
D
rotH = J +
divD = ρ
∂t
∂B
rotE = −
divB = 0
∂t
Kontinuitätsgleichung
g
g
∂ρ
divJ = −
∂t
Material-Gleichungen
• Zwischen D und E gilt:
D = ε rε oE
• Zwischen J und E gilt:
D : elektrische Flussdichte
E : elektrisches Feld
B : magnetische Flussdichte
H : magnetische Feldstärke
J : Stromdichte
ρ : Ladungsdichte
εo : Dielektrizitätskonstante
εr : relative Dielektrizitätskonstante
oder relative Permittivität
κ : Leitfähigkeit
J = κE
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Folie 5
2. Elektrostatisches Feld
G
Gesetze
t und
d Folgerungen
F l
Bedeutung von „-statik“
• keine zeitlichen Veränderungen
• keine Ströme
⇒ alle ∂X ∂t = 0
⇒
J=0
Grundgleichungen
Aus den Maxwell-Gleichungen
∂∂B
B
rotE = −
di D = ρ
div
∂t
divD = ρ ,
rotE = 0 .
Gleichungen der Elektrostatik
D = ε rε oE
Bemerkung:
k
Keine Ströme heisst
h
κ = 0 womit d
die Dielektrika
l k k ideal
d l sind
d
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Folie 6
2. Elektrostatisches Feld
G
Gesetze
t und
d Folgerungen
F l
Folgerungen
• Die
Di Arbeit
A b it durch
d h Verschieben
V
hi b einer
i
Ladung
L d
q ist
i t (Satz
(S t von Stokes)
St k )
W = q ∫ E ds = q ∫ rotE dA = 0 .
∂A
A
• Damit ist die Arbeit durch das Verschieben einer Ladung q zwischen zwei
Punkten 1 und 2 wegunabhängig.
• Damit existiert ein Potential φ mit E = −∇φ
• Integration von divD = ρ und
benützen vom Satz von Gauss gibt
∫
∂V
D dA = ∫ ρ dV = Q
V
D.h.: Die Flusslinien enden auf Ladungen!
g
(Küchler S. 29)
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Folie 7
2. Elektrostatisches Feld
G
Grenzflächen
flä h
Feldkomponente senkrecht zur Grenzfläche
Oberflächenladung ρ* auf der Grenzfläche zwischen den zwei Dielektrika
1
εr1
dA
D1
ρ*
U
en
divD = ρ
h
∫∫ D dA = ∫ ρ dV
et
A
h→0
2 εr2
∫∫ D dA = ∫∫∫ ρ dA = Q
dA
dA
A
D2
0
Fall 1: Material 2 ist Leiter
D1n = ρ *
E1n = ρ * ε1
D1n − D2 n = ρ *
Fall 2: Flächenladungsdichte ρ* = 0
D1n = D2 n
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ε1 ⋅ E1n = ε 2 ⋅ E2 n
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Folie 8
2. Elektrostatisches Feld
G
Grenzflächen
flä h
Feldkomponente tangential zur Grenzfläche
rotE = 0
1
U
h
εr1
ds
E1
2 εr2
∫
∂F
Eds = ∫ rotEdσ = 0
F
et
h→0
F
ds
E2
en
E1t − E2t = 0
E1t = E2t
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Folie 9
2. Elektrostatisches Feld
G
Grenzflächen
flä h
Zusammenfassung
E1t = E2t
Flächenladungsdichte ρ* = 0
Material 2 ist Leiter
D1n = ρ *
E1n = ρ * ε1
D1n = D2 n
ε1 ⋅ E1n = ε 2 ⋅ E2 n
Folgerungen:
• Feldlinien stehen senkrecht zu Leiter bzw. Äquipotentiallinien
• Dichte der elektrischen Feldlinien sind p
proportional
p
zu ρ*/εrεo
• Zwischen zwei unterschiedlichen Dielektrika werden die Feldlinien
gebrochen (wichtig: E-Feldlinien können an der Grenzfläche aufhören)
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Folie 10
2. Elektrostatisches Feld
B i i l
Beispiele
Beispiel
e sp e 1 – Zylinder
y de über
ü e Ebene
e e
Leitende Elektroden mit
Potentialdiff. U
Bemerkungen:
• E senkrecht zu Pot.-linien
• U skalierbar, Bild bleibt
• Geometrie skalierbar, Bild bleibt
(Küchler S. 40)
• a ~ 1/E, b ~ 1/E ⇒ a/b ~ const.
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Folie 11
2. Elektrostatisches Feld
B i i l
Beispiele
Beispiel
e sp e 2 – Brechung
e u g der
de Felder
e de zwischen
s e Dielektrika
ee
a
Welche Dielektrika hat
E1t
eine grössere relative
εr1
⎡C ⎤
Permittivität?
ξ = Flächenladungsdichte ⎢ ⎥
⎣m ⎦
σ1
E1n
E1
2
εr2
σ2
E1n > E 2 n
E2
ε 2 ⋅ D1n = ε 1 ⋅ D2 n
⇒ ε r1 <? ε r 2
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E2t
E2n
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Folie 12
2. Elektrostatisches Feld
B i i l
Beispiele
Beispiel
e sp e 3 – Zwickel
e (Tripel-Punkte)
( pe u e)
In den Übungen Plattenkondensator mit zwei Dielektrika ε r1 < ε r 2
wenn die Schichtdicke des Dielektrikums 1 dünn, dann starke
Feldüberhöhungen
⇒ Dasselbe beim Zwickel:
Zwickel
Luft
εr1
U
Plattenkondensator
Isolation εr2 > 1
εr2 = 3
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Folie 13
3. Nicht-statische Felder
St ti ä F
Stationäre
Felder
ld
Bedeutung von „-stationär“
• keine
k i zeitlichen
itli h Veränderungen
V ä d
• Ströme sind möglich!
⇒ alle
ll ∂X ∂t = 0
Stromdichte
St
di ht J
Statisch gerade bei DC oft falsch: Auch Isolatoren leiten
Beispiel: Kondensator entlädt sich über kurz oder lang
Berücksichtigung der Leitfähigkeit σ mit
J = κ ⋅E
(J erzeugt auch ein Magnetfeld)
Grenzflächen
Zusätzlich zu den Grenzbedingungen der Elektrostatik ergibt sich für J
(analog mit Satz von Gauss und Kontinuitätsgl.) an der Grenzfläche zweier
Medien
J1n = J 2 n
J1t σ 1 = J 2t σ 2
(und mit Bedingung für Et :
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)
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Folie 14
3. Nicht-statische Felder
W it
Weitere
Fälle
Fäll
Quasistatisch
Quas
sa s
− Felder können zeitlich ändern
− Die Kopplung zwischen E und B über die zeitliche Änderungen ist jedoch
vernachlässigbar
− Damit ist kein Wellencharakter vorhanden
Bsp.: Ausgleichsvorgang im leitfähigen Dielektrikum (⇒ Übung)
Nichtstationär
− Kopplung der Felder E und B über die zeitliche Änderung ist nicht mehr
vernachlässigbar
− Wellen sind möglich
Bsp. Leitungsmodell:
Für R ' = 0 = G ' gilt
ZL =
u
L'
=
i
C'
L‘
C‘
C
⇒ Blitzeinschlag, lange Leitungen
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R‘
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G‘
G
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Folie 15
4. Analytische Berechnung statischer Felder
Lö
Lösen
der
d Poissongleichung
P i
l i h
Poissongleichung
o sso g e u g
Kombination der Gleichungen
divD = ρ E = −∇φ
D = ε rε oE
ergibt für räumlich konstantes εr die Poissongleichung
Δφ = − ρ ε r ε o
Beispiel:
B
i i l Zylinderkondensator
Z li d k d
t
Zylindersymmetrie ⇒ Zylinderkoordinaten
Δφ =
1 ∂ ⎛ ∂φ ⎞
⎜r
⎟=0
r ∂r ⎝ ∂r ⎠
unabhängig von r ⇒ φ ∝ log ( r )
Bestimmen des Proportionalitätsfaktors mittels φ ( r2 ) − φ ( r1 ) = U
U
U
1
⇒ φ=
⋅ log ( r ) , E =
⋅
log ( r2 r1 )
log ( r2 r1 ) r
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Folie 16
4. Analytische Berechnung statischer Felder
E
Ersatzladungsverfahren
t l d
f h
Vorgehen
• Elektrostatische
El kt t ti h FFelder
ld einzelner
i
l
LLadungen
d
üb
überlagern
l
sich
i h per Additi
Addition
• Durch die geschickte Wahl von Ladungen ergeben sich Felder
komplizierterer
p
Anordnungen
g
Beispiel 1: Ladung Q vor geerdeter Platte
1) Situation
2) Spiegelladung
P
Q
rQ
Potential durch Q:
Q
φQ ( r ) =
⋅
4πε r ε o rQ
1
P
rs
−Q Q
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rQ
⎛Q Q⎞
φ (r ) =
⋅⎜ − ⎟
4πε r ε o ⎜⎝ rQ rs ⎟⎠
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1
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Folie 17
4. Analytische Berechnung statischer Felder
E
Ersatzladungsverfahren
t l d
f h
Beispiel 2: Leitender Zylinder mit Ladung Q vor geerdeter Platte
Lösung aus Beispiel 1:
φ (r ) =
⎛Q Q ⎞
⋅⎜ 1 + 2 ⎟
4πε r ε o ⎝ r1 r2 ⎠
1
(
(Küchler
hl S. 47))
Die Äquipotentiallinien sind kreisförmig
⇒ die Felder entsprechen jenen von
einem leitenden Zylinder vor geerdeter Platte
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Folie 18
4. Analytische Berechnung statischer Felder
F
Formelsammlung
l
l
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5. Homogenitätsgrad
H
Homogen
versus iinhomogen
h
Darstellung:
Normierte elektrische Feldstärke (Farbverlauf) & Äquipotentiallinien
U
Platte-Platte
Homogenes Feld
E-Feld: konst.
Äquipotentiallinien:
parallel und
äquidistant
Kugel-Platte
g
Schwach inhomogen
E-Feld: Feld überhöht
an Kugel; nicht konst.
konst
Felddunkelraum hinter
g ((Schirmung)
g)
Kugel
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Spitze-Platte
p
Stark inhomogen
E-Feld: Stark überhöht
an Spitze; nicht konst.
konst
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Folie 20
5. Homogenitätsgrad
D fi iti
Definition
Häufige Fragestellungen in der Praxis:
Wie gross ist die maximale Feldstärke in einer Anordnung?
Wie „stark“ ist eine Anordnung inhomogen?
Definition Homogenitätsgrad (Schwaigerscher Ausnutzungsfaktor) η:
η=
E0
,
E max
wobei E 0 =
Emax
U
d
Homogenfeldanordnung
Werte für η sind für typische
Elektrodenformen dokumentiert
(Bsp analytische Formeln)
(Bsp.
d
U
E- Feld: E0
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Folie 21
5. Homogenitätsgrad
B d t
Bedeutung
d
des Homogenitätsgrads
H
ität
d für
fü Durchschlag
D
h hl
Durchschlagsspannung:
Je homogener, desto höher
Korona:
Bei sehr inhomogenen Feldern,
setzt zuerst Korona ein
((d.h. Teilentladungen,
g , welche die
Isolierdistanz nicht vollständig
überbrücken)
(Küchler S. 179)
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Folie 22
5. Homogenitätsgrad
B i i l zum Homogenitätsgrad
Beispiel
H
ität
d
Konzentrische Kugeln/koaxiale Zylinder
(Küchler S. 71)
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Folie 23
6. Numerische Feldberechnung
M th d der
Methode
d Finiten
Fi it Elemente
El
t (FEM)
Vorteil:
- auch zur Bestimmung anderer physikalische Felder weit verbreitet
- eine Konstruktion muss oft auf unterschiedliche physikalische Prozesse
beurteilt werden
Variationsrechnung
Die Differentialgleichungen des Problems können mit Hilfe der
Variationsrechnung äquivalent als Minimierung eines
Energiefunktionals formuliert werden
Bsp Randwertproblem
Bsp.
Δφ ( x ) = 0,
0 ∀x ∈ Ω
φ ( x ) = f ( x), ∀x ∈ ∂Ω
Luft
εr11
i t äquivalent
ist
ä i l t zur Minimierung
Mi i i
d
des Funktionals
F kti
l
W=
1
2
dV
ε
ε
∇
φ
(
)
r o
∫
Ω
2
Isolation εr22 > 1
Ω
Ausschnitt des Zwickel-Beispiels
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Folie 24
6. Numerische Feldberechnung
M th d der
Methode
d Finiten
Fi it Elemente
El
t (FEM)
Vorgehen:
1) Raum wird in Elementen mit n Knoten diskretisiert
((Bsp.
p Dreiecke in 2d,, Tetraeder 33d),
),
auf den Knoten sind n Potentiale φi definiert – dies sind die Unbekannten
2) Zwischen den Knoten werden die Potentiale
mit Polynomen
l
angesetzt ((Bsp. llinear oder
d quadratisch)
d
h)
3) Variationsrechnung (Minimierung von W)
ergibt lineares Gleichungssystem (n Gl.)
Gl ) mit:
∂W
= 0, i = 1… n
∂φi
Anwendung einer FEM-Software
in der Simulationsübung
Luft
εr11
Isolation εr22 > 1
Ω
Ausschnitt des Zwickel-Beispiels
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Folie 25
6. Numerische Feldberechnung
M th d der
Methode
d Finiten
Fi it Elemente
El
t (FEM)
Beispiel: Plattenkondensator
Knoten
0
W1
1
2) Wahl des Polynoms:
W2
Lineare Interpolation, damit ist
2
∇φ ( x ) = (φi − φi −1 ) di , ∀x ∈ ] xi −1 , xi [
x
3) Variationsrechnung (Minimierung von W)
1) Problem ist 1d
Diskretisierung nur 2 Elemente:
d1
d2
Potential
φo = U
φ1 = ?
φ2 = 0
!
ε1
ε2
∂W ∂ (W1 + W2 )
=
= − (U − φ1 ) + − (φ1 − φ2 ) = 0
d1
d2
∂φ1
∂φ1
auflösen nach φ1 ergibt
−1
⎛ ε d ⎞
φ1 = ⎜1 + 2 1 ⎟ U
⎝ ε1 d 2 ⎠
Zahlenbeispiel:
1) ε1 = ε2 , 2d1 = d2 ⇒ φ1 = 2/3 U
2) 4ε1 = ε2 , d1 = d2 ⇒ φ1 = 1/5 U
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Folie 26
6. Numerische Feldberechnung
M th d der
Methode
d Finiten
Fi it Elemente
El
t (FEM)
Beispiel: Zylinderkondensator
1)) Problem
bl
ist 1d
d
Diskretisierung: 4 Elemente (5 Knoten):
2) Wahl des Polynoms: Lineare Interpolation
3) Variationsrechnung (Minimierung von W)
g y
mit
führt auf lineares Gleichungssystem
3 Gleichungen
Rotationsachse
Knoten
0 1 2
W1 W2
4
r
W4
ε1 = ε i , ∀i
φo = U
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3
FS09
φi = ?
φ5 = 0
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Folie 27
6. Numerische Feldberechnung
M th d der
Methode
d Finiten
Fi it Elemente
El
t (FEM)
Rotationsachse
Zahlenbeispiel
hl b
l
ro = 6 cm, ri+1 = ri + 10 cm, r4 = 46 cm
U = 180 kV
Knoten
0 1 2
Poten
ntial [kV]]
200
analytisch
y
numerisch
100
0
0
50
El. Feldstä
ärke [kV
V/cm]
Beispiel: Zylinderkondensator
3
r
4
15
analytisch
y
numerisch
10
5
0
0
Radius [cm]
Radius [cm]
Verbesserungen?
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50
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Folie 28
6. Numerische Feldberechnung
E
Ersatzladungsverfahren
t l d
f h
Vorteil:
Sehr effizient bei kleinen Elektroden und grossen Abständen zwischen
Elektroden
Prinzip:
Mehrere Einzelladungen werden so angebracht, dass ihr überlagerter
Einfluss eine gewünschte Äquipotentialfläche erzeugt.
Vorgehen:
1) Elektroden mit Ersatzladungen qj besetzen
2) Auswirkung der Ladungen qj auf das
Potential am Konturpunkt über
Potentialkoeffizienten pkj bestimmt:
φk = ∑ pkj q j
j
3) Matrix p invertieren und qj bestimmen
(Küchler S. 110)
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FS09
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Folie 29
6. Numerische Feldberechnung
E
Ersatzladungsverfahren
t l d
f h
Verallgemeinerter Kapazitätsbegriff
Gegeben:
Raum mit n Leitern Li und den
Ladungen qi
Elektrodenanordnung
El
kt d
d
C1i
L1 ,φ1, q1
Li ,φi, qi
Frage:
Was sind die Potentiale φi der Leiter?
A t
Antwort:
t
C1∞
n
φi = ∑ p ji q j
C1n
Cin
Ci∞
Ln ,φn, qn
j =1
mit der Potentialmatrix p
Inverse ist die Kapazitätsmatrix c = p −1
mit
n
qi = ∑ c jiφ j
Cn∞
E gilt:
Es
ilt
Ci∞ = ∑ c ji
j =1
j =1
Cij = −cij
c und p sind symmetrisch!
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n
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Folie 30
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
Ersatzladungsverfahren 1: „Brechung“ am Dielektrikum
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Das elektrische Feld
Folie 31
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
Ersatzladungsverfahren 2: Hochspannungsleitung
Situation
L2
L3
L1
L1
L3
L2
Geometrie:
Breite 200 m
L it
Leiterseildurchmesser
ild h
~3 cm
Je 1 System, 3 Phasen
(links 380 kV, rechts
220 kV)
Potentiallinie bei Phasenwinkel 0°
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Folie 32
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 1: Zwickel
εr1
εr1 < εr2
εr2
U
Bereich hoher
Feldstärke
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Das elektrische Feld
Folie 33
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 2: Feldverdrängung durch Dielektrika
Luft,, εr=1
Isolator, εr=10
U
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Das elektrische Feld
Folie 34
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 2: Feldverdrängung durch Dielektrika
Luft,, εr=1
Isolator, εr=10
U
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Das elektrische Feld
Folie 35
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 2: Feldverdrängung durch Dielektrika
U
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Das elektrische Feld
Folie 36
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 2: Feldverdrängung durch Dielektrika
U
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Folie 37
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 2: Feldverdrängung durch Dielektrika
U
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Folie 38
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 2: Feldverdrängung durch Dielektrika
U
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Das elektrische Feld
Folie 39
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 3: Schirmung einer Spitze-Platte Anordnung
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Das elektrische Feld
Folie 40
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 3: Schirmung einer Spitze-Platte Anordnung
Vorlesung Hochspannungstechnologie
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Das elektrische Feld
Folie 41
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 3: Schirmung einer Spitze-Platte Anordnung
Vorlesung Hochspannungstechnologie
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Das elektrische Feld
Folie 42
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 3: Schirmung einer Spitze-Platte Anordnung
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Das elektrische Feld
Folie 43
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 3: Schirmung einer Spitze-Platte Anordnung
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Das elektrische Feld
Folie 44
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 3: Schirmung einer Spitze-Platte Anordnung
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Das elektrische Feld
Folie 45
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 3: Schirmung einer Spitze-Platte Anordnung
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Folie 46
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 3: Schirmung einer Spitze-Platte Anordnung
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Das elektrische Feld
Folie 47
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 4: Trennschalter in einer GIS – Berechnung
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Folie 48
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 4: Trennschalter in einer GIS – Berechnung
(Beyer S. 61)
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Folie 49
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 4: Trennschalter in einer GIS – Berechnung
(Beyer S. 61)
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Das elektrische Feld
Folie 50
6. Numerische Feldberechnung
B i i l
Beispiele
FEM 4: Trennschalter in einer GIS – Optimierung
(Beyer S. 72)
⇒ Optimiertes Design: Geringeres Emax – bedeutend für Kosten!
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Das elektrische Feld
Folie 51
Literatur
Kapitel Küchler:
N°
Titel
Kommentar
2.1
Grundlagen des elektrischen Feldes
(2 1 3 ist etwas umständlich – nicht darauf versteifen)
(2.1.3
wichtig
2.2
Technische Beanspruchung
empfohlen
2.3
Statische, stationäre und quasistat. Felder in hom. Diel.
wichtig
2.4
Statische, stationäre und quasistat. Felder in inhom. Diel.
wichtig
2.5
Numerische Feldberechnung
empfohlen
2.6
Schnell veränderliche Felder und Wanderwellen
empfohlen
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FS09
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