本發(fā)明涉及高電壓與絕緣技的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于ANSYS CFX的架空線徑向溫度場仿真方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，用電量也快速增長，促進了電網(wǎng)的建設(shè)。然而，在現(xiàn)在的情況下，輸電走廊仍在一定程度上限制了電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展。建設(shè)新的輸電走廊需要耗費大量的資金與時間，在短期之內(nèi)并不會對輸電走廊的短缺起到緩解作用。因而，如何充分利用現(xiàn)有的線路的輸電能力就成為了一個有實際意義的問題。

目前，輸電線增容的主流技術(shù)包括靜態(tài)增容技術(shù)，即在環(huán)境參數(shù)按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提高導(dǎo)線溫度運行，另一種是動態(tài)增容技術(shù)，即根據(jù)實時監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)計算當(dāng)前條件下的載流量。無論是動態(tài)增容還是靜態(tài)增容，導(dǎo)線的運行溫度較高，此時弧垂勢必要增加。目前《電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊》規(guī)定弧垂定位溫度是40℃或者覆冰無風(fēng)條件，當(dāng)導(dǎo)線溫度達(dá)到70℃或者更高溫度后，如果對地距離或者交叉跨越距離很可能不滿足規(guī)程規(guī)定，容易造成對地放電、樹竹放電或者線路跳閘等危害。

導(dǎo)線增容主要受金具發(fā)熱、導(dǎo)線的機械強度變化和弧垂增大的限制。一般關(guān)于張力-溫度模型，是帶入表面溫度求解，在高溫段時，弧垂計算誤差偏大。D.A.Douglass等人對導(dǎo)線徑向熱場分布的研究表明：由于各層單導(dǎo)線空氣間隙的存在，架空導(dǎo)線其鋼芯與最外層鋁絞線存在溫度梯度。對導(dǎo)線徑向應(yīng)力分布隨時間的變化進行了研究，隨著溫度升高，導(dǎo)線的應(yīng)力向鋼芯處轉(zhuǎn)移。對于鋼芯鋁絞線通常在40℃到110℃的時候，會變得松弛，在某個溫度時，架空線的拉力全部由鋼芯承擔(dān)。在這種狀態(tài)下，僅以表面溫度為依據(jù)計算弧垂會造成誤差。因而有必要對于導(dǎo)線的徑向溫度場進行研究。

在以往的研究中，在使用數(shù)值法對鋼芯鋁絞線的溫度分布進行仿真的時候，對于鋼芯鋁絞線的溫度的計算傾向于將導(dǎo)線看作一個實心的圓柱體，僅在計算交流電阻的時候考慮集膚效應(yīng)，將生熱率均勻施加到鋼芯與鋁層，再通過摩爾根公式計算出表面對流換熱系數(shù)后施加邊界條件。這種方法計算得到的徑向溫度分布，并未考慮到導(dǎo)線間空氣隙的存在對于導(dǎo)線徑向傳熱的影響，因而最后結(jié)果與實驗所得到的結(jié)果之間有著較大的差距，不利于對于三維弧垂模型的建立。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于ANSYS CFX的架空線徑向溫度場仿真方法，該方法根據(jù)鋼芯鋁絞線各層導(dǎo)體之間、各股導(dǎo)體之間的串并聯(lián)關(guān)系，所得每一根單導(dǎo)體中的電流密度和產(chǎn)熱率，并施加到模型中，放到CFX中求解，得到鋼芯鋁絞線徑向溫度分布。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于ANSYS CFX的架空線徑向溫度場仿真方法，所述仿真方法包括以下步驟：

S1、ANSYS CFX有限元模型中進行單元選擇與材料設(shè)定；

S2、ANSYS CFX有限元模型中進行網(wǎng)格劃分；

S3、ANSYS CFX有限元模型中進行生熱率載荷施加；

S4、ANSYS CFX有限元模型中進行邊界條件施加；

S5、ANSYS CFX有限元模型中進行求解。

進一步地，所述步驟S1、ANSYS CFX有限元模型中進行單元選擇與材料設(shè)定具體為；

根據(jù)鋼芯鋁絞線的實際物理結(jié)構(gòu)搭建模型，設(shè)定材料時，鋼芯、鋁芯與空氣使用ANSYS CFX模型材料庫中對應(yīng)材料，設(shè)置求解域時對處于距中心指定距離以內(nèi)的空氣、鋼芯、鋁芯作為固體域求解，剩余空氣當(dāng)作流體域求解。

進一步地，所述步驟S2、ANSYS CFX有限元模型中進行網(wǎng)格劃分具體為：

使用ICEM CFD中的Blocking模式將幾何模型劃分為Z向只有一層的網(wǎng)格并導(dǎo)入CFX-Pre中。

進一步地，所述步驟S3、ANSYS CFX有限元模型中進行生熱率載荷施加具體為；

S31、根據(jù)鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)特點，鋼芯熱源由流過其電阻的電流產(chǎn)生，鋁層熱源包括焦耳熱和太陽輻射作用，按照電阻串并聯(lián)關(guān)系，計算流過鋼芯鋁絞線各層間、各股之間的電流值，計算公式如下：

$I_s=I\left(\frac{R_a}{R_a+R_s}\right)$

$I_a=I\left(\frac{R_s}{R_a+R_s}\right)$

式中，I為流入導(dǎo)線截面的總電流，Rs、Ra為導(dǎo)體中鋼芯部分和鋁導(dǎo)線部分的電阻，Is、Ia為流入鋼芯鋁絞線鋼芯部分和鋁線部分的電流，

$I_{si}=\frac{I_s}{N_s}$

$I_{ai}=\frac{I_a}{N_a}$

$R_{si}=\frac{R_s}{N_s}$

$R_{ai}=\frac{R_a}{N_a}$

式中，I_si、I_ai分別為鋼芯層和鋁線層部分中單導(dǎo)線的電流值，R_si、R_ai分別為鋼芯層和鋁線層的單導(dǎo)線的電阻值，N_s、N_a分別為鋼芯層和鋁線層單導(dǎo)線的股數(shù)；

S32、在鋼芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率：

Q₁＝J₁²ρ_Fe(1+α_rFe(T-293.15)) (1)

其中Q₁(W/m³)為鋼芯生熱率，J₁(A/m²)為將鋼芯與鋁芯作為并聯(lián)處理得到的鋼芯上的電流密度，ρ_Fe(Ω·m)為293.15K時鐵的電阻率，α_rFe(Ω·m/K)為鐵的電阻溫度系數(shù)，T(K)為該網(wǎng)格溫度，在迭代時由求解器實時給出；

S33、在鋁芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率為

Q₂＝J₂²ρ_Al(1+α_rAl(T-293.15)) (2)

其中Q₂(W/m³)為鋁芯生熱率，J₂(A/m²)為將鋼芯與鋁芯作為并聯(lián)處理得到 的鋁芯上的電流密度，ρ_Al(Ω·m)為293.15K時鋁的電阻率，α_rAl(Ω·m/K)為鋁的電阻溫度系數(shù)，T(K)為該網(wǎng)格溫度，在迭代時由求解器實時給出。

進一步地，所述步驟S4、ANSYS CFX有限元模型中進行邊界條件施加具體為：

空氣外邊緣施加開放邊界條件，鋁芯暴露于外面的部分在流固交界面的基礎(chǔ)上通過CEL語言施加附加熱流密度：

$q=\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}(T^4-T_{out}^4)---\left(3\right)$

其中ε為發(fā)射率，σ＝1.3806488(13)×10^-23(J/K)為玻爾茲曼常數(shù)，TOUT(K)為環(huán)境溫度，T(K)為表面溫度，在迭代時由求解器實時給出，其余邊界施加默認(rèn)的流固交界面或者固固交界面。

進一步地，所述步驟S5、ANSYS CFX有限元模型中進行求解具體為：

將ANSYS CFX有限元模型輸入CFX Solver內(nèi)進行計算，得到溫度場的分布結(jié)果圖。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

1)本發(fā)明公開的一種使用ANSYS CFX的考慮導(dǎo)線內(nèi)部空隙的鋼芯鋁絞線的徑向溫度場分布仿真方法，建立徑向切面的二維仿真模型，在考慮了導(dǎo)線內(nèi)部空氣隙的情況下，通過使用ANSYS CFX得到不同載流量下導(dǎo)線的徑向溫度分布場，并且通過大電流實驗方法得到鋼芯鋁絞線型導(dǎo)線表層溫度和鋼芯層溫差隨電流變化的情況，其相對誤差均在5％之內(nèi)，對絞線類的徑向熱場分布方法，有著比較強的參考意義。

2)本發(fā)明公開的一種使用ANSYS CFX的考慮導(dǎo)線內(nèi)部空隙的鋼芯鋁絞線的徑向溫度場分布仿真方法，無須對于電磁場與熱輻射進行仿真，雖然這也引入了一定的誤差，但有相對較快的計算速度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的一種基于ANSYS CFX的架空線徑向溫度場仿真方法的流程步驟圖；

圖2是鋼芯鋁絞線內(nèi)部結(jié)構(gòu)并聯(lián)電阻圖；

圖3是鋼芯鋁絞線徑向溫度仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例一

請參見圖1，圖1是本發(fā)明中公開的一種基于ANSYS CFX的架空線徑向溫度場仿真方法的流程步驟圖。圖1所示的一種基于ANSYS CFX的架空線徑向溫度場仿真方法，具體包括以下步驟：

S1、ANSYS CFX有限元模型中進行單元選擇與材料設(shè)定；

具體應(yīng)用中，所述步驟S1具體為：

根據(jù)鋼芯鋁絞線的實際物理結(jié)構(gòu)搭建模型，設(shè)定材料時，鋼芯、鋁芯與空氣使用ANSYS CFX模型材料庫中對應(yīng)材料，設(shè)置求解域時對于處于距中心指定距離以內(nèi)的空氣、鋼芯、鋁芯作為固體域求解，剩余空氣當(dāng)作流體域求解。

S2、ANSYS CFX有限元模型中進行網(wǎng)格劃分；

具體應(yīng)用中，所述步驟S2具體為：

劃分網(wǎng)格時，使用ICEM CFD中的Blocking模式將幾何模型劃分為Z向只有一層的網(wǎng)格并導(dǎo)入CFX-Pre中。

S3、ANSYS CFX有限元模型中進行生熱率載荷施加；

具體應(yīng)用中，所述步驟S3具體為；

S31、根據(jù)鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)特點，鋼芯熱源由流過其電阻的電流產(chǎn)生，鋁層熱源包括焦耳熱和太陽輻射作用。按照電阻串并聯(lián)關(guān)系，計算流過鋼芯鋁絞線各層間、各股之間的電流值。圖2是鋼芯鋁絞線內(nèi)部結(jié)構(gòu)并聯(lián)電阻圖，由圖2可知：

$I_s=I\left(\frac{R_a}{R_a+R_s}\right)$

$I_a=I\left(\frac{R_s}{R_a+R_s}\right)$

式中，I為流入導(dǎo)線截面的總電流，Rs、Ra為導(dǎo)體中鋼芯部分和鋁導(dǎo)線部分的電阻，Is、Ia為流入鋼芯鋁絞線鋼芯部分和鋁線部分的電流，

$I_{si}=\frac{I_s}{N_s}$

$I_{ai}=\frac{I_a}{N_a}$

$R_{si}=\frac{R_s}{N_s}$

$R_{ai}=\frac{R_a}{N_a}$

式中，I_si、I_ai分別為鋼芯層和鋁線層部分中單導(dǎo)線的電流值，R_si、R_ai分別為鋼芯層和鋁線層的單導(dǎo)線的電阻值，N_s、N_a分別為鋼芯層和鋁線層單導(dǎo)線的股數(shù)。

S32、在鋼芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率：

Q₁＝J₁²ρ_Fe(1+α_rFe(T-293.15)) (1)

其中Q₁(W/m³)為鋼芯生熱率，J₁(A/m²)為將鋼芯與鋁芯作為并聯(lián)處理得到的鋼芯上的電流密度，ρ_Fe(Ω·m)為293.15K時鐵的電阻率，α_rFe(Ω·m/K)為鐵的電阻溫度系數(shù)，T(K)為該網(wǎng)格溫度，在迭代時由求解器實時給出。

S33、以同樣的方法在鋁芯所在的網(wǎng)格中建立子域，通過CEL語言施加生熱率為

Q₂＝J₂²ρ_Al(1+α_rAl(T-293.15)) (2)

其中Q₂(W/m³)為鋁芯生熱率，J₂(A/m²)為將鋼芯與鋁芯作為并聯(lián)處理得到的鋁芯上的電流密度，ρ_Al(Ω·m)為293.15K時鋁的電阻率，α_rAl(Ω·m/K)為鋁的電阻溫度系數(shù)，T(K)為該網(wǎng)格溫度，在迭代時由求解器實時給出。

S4、ANSYS CFX有限元模型中進行邊界條件施加；

具體應(yīng)用中，所述步驟S4具體為：

施加邊界條件時，空氣外邊緣施加開放邊界條件，鋁芯暴露于外面的部分在流固交界面的基礎(chǔ)上通過CEL語言施加附加熱流密度：

$q=\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}(T^4-T_{out}^4)---\left(3\right)$

其中ε為發(fā)射率，σ＝1.3806488(13)×10^-23(J/K)為玻爾茲曼常數(shù)，TOUT(K)為環(huán)境溫度，T(K)為表面溫度，在迭代時由求解器實時給出，其余邊界施加默認(rèn)的流固交界面或者固固交界面。

S5、ANSYS CFX有限元模型中進行求解；

具體應(yīng)用中，所述步驟S5具體為；

將上述模型輸入CFX Solver內(nèi)進行計算，得到溫度場的分布結(jié)果圖。

綜上所述，本實施例結(jié)合LGJ300/40導(dǎo)線的實際結(jié)構(gòu)尺寸，建立了徑向切面的二維仿真模型，在考慮了導(dǎo)線內(nèi)部空氣隙的情況下，通過使用ANSYS CFX得到不同載流量下導(dǎo)線的徑向溫度分布場，并且通過大電流實驗方法得到鋼芯鋁絞線型導(dǎo)線表層溫度和鋼芯層溫差隨電流變化的情況，其相對誤差均在5％之內(nèi)，對絞線類的徑向熱場分布方法，有著比較強的參考意義。

實施例二

本實施例所使用模型為LGJ 300/40型導(dǎo)線，結(jié)合本發(fā)明中公開的一種基于ANSYS CFX的架空線徑向溫度場仿真方法進行仿真，具體步驟如下：

S1、ANSYS CFX有限元模型中進行單元選擇與材料設(shè)定；

選用LGJ 300/40型導(dǎo)線，其2D截面圖由四層組成，由內(nèi)到外分別是圓心位于中心半徑為1.33mm的一根鋼芯、圓心間隔均勻分布在半徑為2.66mm的圓上半徑為1.33mm的六根鋼芯、圓心間隔均勻分布在半徑為5.985mm的圓上半徑為1.995mm的九根鋁芯、圓心間隔均勻分布在半徑為9.975mm的圓上半徑為1.995mm的根十五根鋁芯。在已有導(dǎo)線模型的基礎(chǔ)上，外部添加半徑為0.2米的空氣層。由于ANSYS CFX無法處理2D模型，在已有模型的基礎(chǔ)上Z向拉伸10mm，通過之后的處理模擬2D情況。

S2、ANSYS CFX有限元模型中進行網(wǎng)格劃分；

具體應(yīng)用中，所述步驟S2具體為：

劃分網(wǎng)格時，使用ICEM CFD中的Bloking模式將幾何模型劃分為Z向只有一層的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完畢后導(dǎo)入CFX-Pre中。

S3、ANSYS CFX有限元模型中進行生熱率載荷施加；

設(shè)置材料時，鋼芯、鋁芯與空氣使用材料庫中對應(yīng)材料。設(shè)置求解域時對于處于距中心9.975mm以內(nèi)的空氣、鋼芯、鋁芯作為固體域求解，剩余空氣當(dāng)作流體域求解。

此步驟與實施例一中相同，具體參見實施例一中步驟S3的詳細(xì)過程，此處不再詳細(xì)闡述。

S4、ANSYS CFX有限元模型中進行邊界條件施加；

此步驟與實施例一中相同，具體參見實施例一中步驟S4的詳細(xì)過程，此處不再詳細(xì)闡述。

S5、ANSYS CFX有限元模型中進行求解；

將上述模型輸入CFX Solver內(nèi)進行計算，得到溫度場的分布結(jié)果如圖3所示。由仿真結(jié)果可以看出，在自然對流情況下，導(dǎo)體各層的溫度部分并不均勻，而是存在一定的梯度，其中鋼芯溫度比鋁導(dǎo)體的溫度要高的。

模型效果分析

利用本實施例中所示的方法分別計算I為400A、500A、600A、700A，環(huán)境溫度為19(℃)，發(fā)射率ε為0.3的情況下LGJ 300/40型導(dǎo)線的溫度分布，并通過大電流實驗平臺控制相關(guān)條件驗證模型的正確性，得到以下結(jié)果：

表1LGJ 300/40型導(dǎo)線的仿真溫度與實際溫度比較

從表1中可以看出，使用本簡易算法，在節(jié)省計算時間的同時所求得的結(jié)果與實驗結(jié)果的絕對誤差在5％之內(nèi)，其得到的鋼芯鋁絞線的溫度場分布具有一定參考作用。

模型計算所的結(jié)果與實際的結(jié)果之間相符的較好，這主要是由于在模型中計算鋼芯鋁絞線的生熱率的時候，并沒有將其看作一個均勻生熱的整體，而是采用導(dǎo)線的直流流電阻率和根據(jù)電阻的串并聯(lián)規(guī)律計算生熱率，在沒有考慮集膚效應(yīng)的情況下，相當(dāng)于減小了導(dǎo)線的電阻。此外，對于絞線型導(dǎo)線，單層鋁導(dǎo)線的交流電阻最大，3層鋁線的次之，偶數(shù)層鋁導(dǎo)線的交流電阻最小，所以本文所述方法用于偶數(shù)層鋁導(dǎo)線時誤差較小。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、 替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。