基于ansys的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力電纜技術領域，尤其涉及一種基于ANSYS的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜 溫度場有限元計算方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電力電纜在輸配電線路中的廣泛應用，準確確定電力電纜及其周圍環(huán)境溫 度場的分布和電纜的載流量對于提高電力電纜的使用率和電力電纜的動態(tài)調整負荷具有 重要的意義。
[0003] 非線性負載在工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)的電力負載中所占比例越來越大，非線性負 載使電網(wǎng)中的電流和電壓的正弦波形發(fā)生畸變，從而產生大量諧波。電力公司為改善功率 因數(shù)而大量使用電容器組，工業(yè)界為提高系統(tǒng)的可靠性和效率廣泛使用電力電子變流器， 這些設備與功率因數(shù)校正電容器組相互作用導致產生電壓波形和電流波形畸變的放大效 應。同樣，在電力的生產、傳輸、轉換和使用的各個環(huán)節(jié)中都會產生諧波。諧波注入電網(wǎng)后 會使無功功率加大，功率因數(shù)降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，損壞電氣設備以 及干擾通信線路的正常工作。
[0004] 諧波電流在電網(wǎng)中的流動會在線路上產生附加的有功功率損耗，從而降低輸電 線路的載流量。一般諧波電流與基波電流相比較所占比例不大，但諧波頻率高，導線的 集膚效應、鄰近效應使諧波電阻比基波電阻大，因此諧波引起的附加線路電阻損耗不容忽 略。對于采用電力電纜的輸電系統(tǒng)，由于絕緣介質存在分布電容，還會產生附加的絕緣介 質損耗。其中絕緣介質損耗決定于絕緣材質、厚度和電壓。帶有屏蔽層的電纜也會因為高 頻諧波的存在，在其周圍產生工頻電磁場，電纜內部的金屬屏蔽層將產生渦流損耗。這些 都是造成電纜及其周圍環(huán)境溫度升高、從而限制其載流量的重要原因。
[0005] 在八十年代以前，通常采用鏡像的方法計算地下電纜的溫度場。隨著數(shù)值傳熱學 的發(fā)展，最近二十年來，采用數(shù)值計算方法對地下電纜溫度場進行模擬計算得到越來越多 的應用。在數(shù)值計算方法中以有限差分法、有限元法、有限容積法、邊界元法居多。計算介 質損耗、渦流損耗的方法有解析法和數(shù)值計算方法。解析法對比較簡單的情況可以在滿足 精度的基礎上加快計算速度，但是對于比較復雜的電纜群，同時計算趨膚效應、鄰近效應、 渦流損耗時，解析法存在方程組過于龐大和求解困難的缺點。常見的有限差分法和邊界元 法等數(shù)值計算方法也有不足，具體的說運用有限差分法分析適合于敷設區(qū)域形狀簡單的情 況，對比較復雜的區(qū)域則誤差較大。而運用邊界元法分析時，當處理具有多根電纜鋪設問題 或一個具有多層土壤的實際電纜溝問題時，邊界元法的邊界太多太復雜，計算量很大。目 前，交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜已經廣泛應用于電力系統(tǒng)各個電壓等級的輸電線路和配網(wǎng)中，并 占據(jù)極大的份額。因此，選用合適的方法對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜溫度場進行模擬計算具有 較大的應用價值。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于ANSYS的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算 方法，對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜溫度場進行模擬計算，具有操作簡單、計算速度快、精度高等 優(yōu)點，能比較準確計算交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜導體的溫度場，進而發(fā)掘電纜載流量能力的潛 能，不僅能節(jié)約電纜的投資，還能提高電纜的利用率和運行水平。
[0007] 本發(fā)明采用的技術方案為：
[0008] 基于ANSYS的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法，依次包括以下步驟：
[0009] A:以交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為研宄對象，基于仿真軟件ANSYS進行參數(shù)化幾何建 模，模型包括導線芯、導體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層、金屬屏蔽層、填充層、內護套、鎧裝 層和外護套；
[0010] B:對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜施加電流激勵，對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜進行磁場分析， 按單元導出導線芯產生的焦耳熱損耗、金屬屏蔽層產生的渦流損耗和鎧裝層產生的渦流損 耗；
[0011] c:對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜施加電壓激勵，對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜進行電場分析， 按單元導出由絕緣層產生的介質損耗；
[0012] D:將步驟B和步驟C中導線芯產生的焦耳熱損耗，金屬屏蔽層和鎧裝層分別產生 的渦流損耗以及絕緣層產生的介質損耗同時加載到交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜上作為交聯(lián)聚乙 烯絕緣電纜的熱源來進行溫度場分析，進行交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜溫度場的計算。
[0013] 步驟A包括以下步驟：
[0014]A1 :選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的上下側鋪以砂層，緊鄰砂層外側是保護板，上下保 護板間距不小于300mm，保護板寬度超過電纜兩側不小于200mm，土壤上邊界距離保護板上 邊界不小于〇. 8m，下邊界取距離下保護板不小于2m的土壤，左右邊界分別取距離最近交聯(lián) 聚乙烯絕緣電纜表面凈距側不小于2m的土壤，邊界范圍內的直埋敷設區(qū)域和交聯(lián)聚乙烯 絕緣電纜本體一起構成交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜直埋敷設的整體區(qū)域；
[0015] A2:將交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜部分用兩條相互垂直的直徑把圓分為四部分，然后把 圓周和徑向線段分別進行分段，再采用映射剖分的方法進行剖分，交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的 三相剖分方法相同，填充層、內護套、鎧裝層和外護套通過控制線段長度自由剖分，電纜周 圍的部分通過控制單元大小和線段分段數(shù)自由剖分。
[0016] 所述的步驟D包括以下步驟：
[0017] D1 :將步驟A所建的模型簡化為二維模型，取最下層土壤為物體邊界溫度已知的 第一類邊界條件，取左右邊界土壤為物體邊界上法向熱流密度已知的第二類邊界條件，取 地面土壤為與土壤相接觸的空氣溫度和對流換熱系數(shù)均為已知第三類邊界條件；
[0018] D2,將電場單元清零，選用熱場單元，并對單元材料屬性重新賦值，將B中由磁場 分析部分按單元導出的焦耳熱損耗、渦流損耗以及C中由電場分析部分按單元導出的介質 損耗同時導入到溫度場模型中作為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的熱源；
[0019] D3,進行交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜溫度場的計算，分別得到交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜直埋 敷設整體區(qū)域、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜本體和交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜絕緣層溫度分布云圖。
[0020] 所述的下邊界土壤溫度為25 °C。
[0021] 所述的左右邊界土壤的法向熱流密度為0。
[0022] 所述的地面土壤取空氣自然對流換熱邊界條件。
[0023] 本發(fā)明是基于仿真軟件ANSYS利用有限元法對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜溫度場進行 模擬計算，有限元法具有任意布置的網(wǎng)格和節(jié)點，對復雜區(qū)域和邊界問題的求解有極大的 靈活性和適應性，能比較準確計算交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜導體的溫度場，進而發(fā)掘電纜載流 量能力的潛能，不僅能節(jié)約電纜的投資，還能提高電纜的利用率和運行水平。本發(fā)明具有操 作簡單，速度快，精確度高等優(yōu)點。
[0024] 本發(fā)明基于有限元法，利用ANSYS軟件將交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜內部各層進行映射 剖分，所剖分單元形狀規(guī)則，對電纜內部的溫度計算較為精確。
[0025] 本發(fā)明適用于土壤直埋敷設、電纜溝敷設、穿管敷設等多種敷設方式下諧波對復 雜的電纜群的溫度場研宄。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0027] 圖2為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜模型的結構示意圖；
[0028] 圖3為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜本體剖分圖；
[0029] 圖4為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜本體部分A相剖分圖；
[0030] 圖5為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜直埋敷設整體區(qū)域溫度分布云圖放大圖；
[0031] 圖6為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜本體溫度分布云圖；
[0032] 圖7為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜絕緣層溫度分布云圖；
[0033] 圖8為介質損耗隨頻率變化曲線圖；
[0034] 圖9為渦流損耗隨金屬屏蔽層相對磁導率變化曲線圖；
[0035] 圖10為介質損耗隨介質損耗因數(shù)變化曲線圖；
[0036] 圖11為焦耳熱損耗和渦流損耗隨電流大小變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0037] 如圖1所示，本發(fā)明基于ANSYS的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法，依 次包括以下步驟：
[0038] A，以10kV型號為YJLV22-10-3*300的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為研宄對象，基于仿真 軟件ANSYS進行參數(shù)化幾何建模，模型包括導線芯1、導體屏蔽層2、絕緣層3、絕緣屏蔽層 4、金屬屏蔽層5、填充層6、內護套7、鎧裝層8和外護套9，YJLV22-10-3*300交聯(lián)聚乙烯絕 緣電纜的技術參數(shù)如表一所示；交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜模型結構示意圖如圖2所示，建模具 體包括以下步驟：
[0039] A1 :根據(jù)國標GB50217-94電力工程電纜設計規(guī)范和DL/T5221-2005城市電力電 纜線路設計技術規(guī)定，考慮交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜土壤直埋敷設時候的情況，選擇交聯(lián)聚乙 烯絕緣電纜的上下側鋪以砂層，緊鄰砂層外側是保護板，上下保護板間距不小于300mm，保 護板寬度超過電纜兩側不小于200mm，土壤上邊界距離保護板上邊界不小于