一種電力電纜磁-熱耦合場(chǎng)的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電纜領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于ANSYS的電力電纜磁-熱禪合場(chǎng)的 計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力電纜在運(yùn)行中必然會(huì)產(chǎn)生損耗，從而引起發(fā)熱，電纜溫度升高，因此電纜的敷 設(shè)需要考慮到電纜的散熱問題，保證電纜在運(yùn)行中不會(huì)因超溫導(dǎo)致絕緣老化加速，電纜壽 命縮短，甚至電纜立刻破壞。且影響電纜溫度場(chǎng)的因素復(fù)雜多變，電纜的載流量也很難準(zhǔn)確 地確定。
[0003] 近年來，光纖傳感測(cè)溫技術(shù)的成熟，使其成為電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)的重要測(cè)量 手段。其在電纜上的應(yīng)用，如果僅僅是監(jiān)測(cè)線忍與表皮的溫度，無法體現(xiàn)光纖分布式測(cè)溫的 實(shí)際價(jià)值。電纜絕緣材料的破壞常伴隨著正反饋的發(fā)熱過程，而熱過程恰為分布式光纖溫 度測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)提供有用信息，若能在線監(jiān)測(cè)出運(yùn)些信息，一旦絕緣發(fā)生故障，局部電纜溫 升是極高的，其準(zhǔn)確而及時(shí)的定位是可能的。電纜絕緣內(nèi)部電熱聯(lián)合故障導(dǎo)致局部過熱使 原來的溫度分布崎變，準(zhǔn)確分析運(yùn)種崎變的溫度分布，對(duì)基于分布式光纖測(cè)溫的電纜絕緣 故障在線監(jiān)測(cè)技術(shù)具有重要的研究意義。
[0004] 電纜制造企業(yè)和電力運(yùn)行部口對(duì)電纜的損耗與溫升備受關(guān)注。對(duì)于不同鋪設(shè)條 件，一般都要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究受制于費(fèi)用、時(shí)間、實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境等諸多因素，顯然通過 實(shí)驗(yàn)研究不同情況下的損耗、溫度和載流量存在很多的麻煩，而用數(shù)學(xué)計(jì)算法的出現(xiàn)為其 大開方便之口。采用數(shù)學(xué)的分析手段研究電力電纜的損耗與溫升，提高電纜的容量利用率 和準(zhǔn)確的評(píng)估絕緣狀態(tài)，對(duì)電纜的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種電力電纜磁-熱禪合場(chǎng)的計(jì)算方法，該 方法對(duì)電力電纜進(jìn)行磁-熱禪合場(chǎng)的計(jì)算，再將每個(gè)場(chǎng)按希望的順序逐個(gè)分析，禪合分析 過程是把前一個(gè)場(chǎng)的分析結(jié)果作為載荷傳遞給后一個(gè)場(chǎng)中分析的方式。該方法求解方式靈 活，對(duì)處理電纜損耗與溫升的運(yùn)類磁-熱禪合問題非常適用。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種電力電纜磁-熱禪合場(chǎng)的計(jì)算方法，包括：
[0007]S1)建立電力電纜電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)物理模型；
[0008]S2)建立電力電纜物理仿真模型，明確計(jì)算參數(shù)和邊界條件；
[0009] S3)對(duì)電力電纜測(cè)量得到相應(yīng)計(jì)算參數(shù)；
[0010] S4)根據(jù)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)物理仿真模型W及相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，對(duì)電力電纜的電磁 場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行求解；
[0011] S5)如果計(jì)算結(jié)果收斂，則得到電力電纜的磁場(chǎng)和熱場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)磁-熱禪合分析；如 計(jì)算結(jié)果不收斂，則返回到步驟S4進(jìn)行迭代分析，直至收斂。
[0012] 所述的計(jì)算方法，步驟S1建立物理模型的方法包括：
[0013] 當(dāng)電力電纜在工頻條件下正常運(yùn)行時(shí)，磁-熱禪合場(chǎng)的計(jì)算需進(jìn)行如下假設(shè)：
[0014] 1)電纜長度非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜的直徑，因此在計(jì)算時(shí)只考慮電纜徑向的溫度 場(chǎng)分布，進(jìn)行二維平面計(jì)算；
[0015] 2)忽略空間電荷W及位移電流的影響；
[0016] 3)電纜及±壤材料的磁導(dǎo)率都是線性的；
[0017] 4)電纜導(dǎo)體與金屬套之間只有絕緣層，導(dǎo)體屏蔽層忽略，即電纜截面從內(nèi)向外依 次包括導(dǎo)體、絕緣層、金屬套、外護(hù)套、±壤；
[0018] 在庫倫規(guī)范下對(duì)電纜各層結(jié)構(gòu)的磁矢量進(jìn)行分析，得到電力電纜各區(qū)域矢量磁位 方程：
[001引 電纜導(dǎo)體區(qū)域，
[0020] V%=-y
[0021] 上式中，1是導(dǎo)體區(qū)域的電流密度，A1表示導(dǎo)體層的矢量磁位，y0表示真空磁導(dǎo) 率.
[002引 電纜絕緣層區(qū)域，
[0023] V%= 0
[0024] 上式中，Az表示絕緣層矢量磁位；
[002引 電纜金屬套區(qū)域，
[0026] V%=-y
[0027] 上式中，J。表示金屬套滿電流密度，A3表示絕緣層和金屬套矢量磁位；
[0028] 電纜外護(hù)套區(qū)域，
[0029] V%= 0
[0030] 上式中，A4表示外護(hù)套矢量磁位；
[003。 ±壤區(qū)域，
[0032] V%= 0
[0033] 上式中，As表示±壤區(qū)域的矢量磁位；
[0034] 此外，電纜各層W及上壤的邊界上面的連續(xù)方程為：
[0035]
[0036] 上式中，i和j表示相鄰區(qū)域的編號(hào)（i、j取值與之前的A1-A5的下標(biāo)對(duì)應(yīng)），n為 單位法向矢量，y1、y,分別表示第i、j區(qū)域的磁導(dǎo)率；
[0037] 金屬屏蔽層內(nèi)部的滿流損耗計(jì)算公式為：
[0038]
[0039] 式中，Je表示金屬套感應(yīng)電流密度，A3表示金屬屏蔽層的矢量磁位，化為單位長 度滿流損耗功率，丫 3為金屬套材料的電導(dǎo)率，ri表示各單元到軸屯、的距離，Si表示各單元 面積。
[0040] 電纜的溫度場(chǎng)是由等值熱路法來進(jìn)行分析的，熱路和熱流場(chǎng)相應(yīng)于電路或電流場(chǎng) 中的物理量，即：
[0041] 根據(jù)傳熱學(xué)的理論，分別計(jì)算出電纜絕緣層、內(nèi)襯層（金屬套和外護(hù)套之間）、外 被層（外護(hù)套）和周圍媒質(zhì)（±壤或空氣）的熱阻Ti~T4,計(jì)算公式如下：
[004引式中，、A:、戶,';'A,分別為絕緣層、內(nèi)襯層、外被層和±壤的導(dǎo)熱系數(shù)，Di和D。分別為絕緣層內(nèi)徑和外徑，D。和D'，分別為內(nèi)襯層內(nèi)徑和外徑，De和D'。分別為外被層內(nèi) 徑和外徑，L為電纜敷設(shè)深度。再用有限元方法計(jì)算電纜熱場(chǎng)（如通過ANSYS進(jìn)行計(jì)算）。
[0047] 所述的計(jì)算方法，步驟S2建立電纜物理仿真模型的方法包括：設(shè)電纜是軸對(duì)稱的 圓柱體形狀，其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)是二維平面場(chǎng)，熱場(chǎng)亦忽略軸向熱流的傳導(dǎo)，此計(jì)算場(chǎng)亦為二 維場(chǎng)；然后設(shè)定=相電纜敷設(shè)于范圍無限大的±壤中，=根電纜位于模型的中間位置，左邊 的為A相，中間的為B相，右邊的為C相；模型的上邊界為對(duì)流邊界條件，下邊界設(shè)置強(qiáng)加恒 定溫度（25攝氏度），兩邊為自然邊界條件；最后根據(jù)運(yùn)些設(shè)定建立磁-熱禪合場(chǎng)的電力電 纜ANSYS物理仿真模型。
[0048] 所述的方法，步驟S2的計(jì)算參數(shù)包括電纜銅導(dǎo)體層、絕緣層、半導(dǎo)電無紡布層、金 屬護(hù)套層、PVC外護(hù)套層和±壤的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和常壓熱容等相關(guān) 參數(shù)。
[0049] 所述的方法，±壤W及電力電纜各層結(jié)構(gòu)的材料物性參數(shù)可查閱電力電纜產(chǎn)品手 冊(cè)得知。
[0050] 所述的計(jì)算方法，步驟S4求解的方法包括：利用ANSYS軟件建立磁-熱禪合場(chǎng)物 理模型，在物理模型中，給電纜線忍施加S相電流（可施加1000A左右的大小的電流值），設(shè) 定電纜敷設(shè)間距（一般為0. 5m)，經(jīng)計(jì)算后得到整個(gè)求解區(qū)域的溫度分布、電纜的損耗值和 溫度值W及電纜的載流量。
[0051] 所述的方法，得到溫度分布、電纜的損耗值和溫度值W及電纜的載流量的方法具 體包括：使用感應(yīng)加熱物理場(chǎng)進(jìn)行電力電纜溫度場(chǎng)與載流量數(shù)值計(jì)算；在計(jì)算過程中，先 確定一個(gè)初步的載流量，根據(jù)公式計(jì)算損耗，得到電纜及其周圍環(huán)境溫度場(chǎng)分布，如果電纜 導(dǎo)體的最高溫度低于90°C，則增加電流大小，重新進(jìn)行計(jì)算；如果電力電纜的導(dǎo)體最高溫 度高于90°C，則減小電流大小，重新計(jì)算；最終得到電纜導(dǎo)體溫度為90°C時(shí)的電流，即為所 需的載流量；并通過對(duì)電力電纜溫度值和載流量的分析結(jié)果，求解不同敷設(shè)間距下電力電 纜的損耗值和溫度分布。
[0052] 所述的方法，步驟S5磁-熱禪合分析的方法包括：分析線忍溫度的影響因素和計(jì) 算最大載流量。
[005引本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提供了一種基于ANSYS的電力電纜磁-熱禪合場(chǎng)的計(jì)算方 法，該方法可解決電力電纜溫升和損耗分析中電纜磁-熱禪合方面的問題。該方法在模型 建立、單元選取和網(wǎng)格劃分方面都很靈活，與其他傳統(tǒng)方法相比有著較快的求解速度，具有 較強(qiáng)的工程實(shí)用性。同時(shí)，本發(fā)明所采用的方法可提高電纜的容量利用率和準(zhǔn)確的評(píng)估絕 緣狀態(tài)，對(duì)電纜的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。
【附圖說明】
[0054]附圖1為一種基于ANSYS的電力電纜磁-熱禪合場(chǎng)的計(jì)算方法；
[00財(cái)圖2雙回路電纜敷設(shè)示意圖（A、B、C表示S相）；
[0056] 圖3單回路一字形敷設(shè)示意圖（S表示間距）。
【具體實(shí)施方式】
[0057] 本發(fā)明提供了一種基于ANSYS的電力電纜磁-熱禪合場(chǎng)的計(jì)算方法，包括：S1)建 立電力電纜物理仿真模型，建立電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)物理模型；S2)明確電磁場(chǎng)計(jì)算參數(shù)和求 解類型；S3)寫入電磁場(chǎng)分析文件，然后明確溫度場(chǎng)分析數(shù)據(jù)