基于有限元仿真和等效電路的單芯電力電纜諧振分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于有限元仿真和等 效電路的單芯電力電纜諧振分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 單芯電力電纜作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，在電網(wǎng)中占有很重要的位置，單芯 電力電纜的諧波問題在當前電力系統(tǒng)中日益突出。單芯電力電纜的結(jié)構(gòu)使得其具有一定的 分布參數(shù)，如分布電感和分布電容。在工頻情況下分布參數(shù)對單芯電力電纜的正常運行影 響可以忽略，但當頻率較高的諧波占據(jù)了一定的成分之后，就可能在單芯電力電纜中形成 局部的諧振過電壓和諧振過電流，進而影響單芯電力電纜的正常工作或破壞單芯電力電纜 的絕緣加速單芯電力電纜的老化。
[0003] 目前對單芯電力電纜諧波危害的認識，大多數(shù)集中在諧波電流使得單芯電力電纜 芯線溫度提高，造成絕緣層的加速老化，對諧波的分析也集中在將電氣設(shè)備斷開產(chǎn)生的過 電壓、過電流作為瞬態(tài)的大幅值諧波源加載到單芯電力電纜上進行的瞬態(tài)分析。對于單芯 電力電纜自身的芯線和金屬護層回路系統(tǒng)上可能產(chǎn)生的高頻諧波諧振問題研究較少。然而 經(jīng)過分析可知此類問題在一些特定的情況下可能對單芯電力電纜造成加速老化或絕緣破 壞，因此對單芯電力電纜自身的芯線和金屬護層回路系統(tǒng)上可能產(chǎn)生的高頻諧波諧振問題 的研究具有較大的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于有限元仿真和等效電路的單芯電力電纜諧振分析 方法，用于單芯電力電纜諧振分析領(lǐng)域，明確了分析的對象，簡化了分析的步驟，并可以給 出所需的任意故障點的諧振情況，對單芯電力電纜諧振故障診斷及預(yù)測具有較大參考價值 和意義。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 基于有限元仿真和等效電路的單芯電力電纜諧振分析方法，依次包括以下步驟：
[0007] A.在電力系統(tǒng)工頻50Hz到5000Hz的諧波頻率范圍內(nèi)，由小到大預(yù)先設(shè)定一組頻 率的值，計算單芯電力電纜在各頻率下的分布參數(shù)，單芯電力電纜包括芯線和套設(shè)在芯線 外側(cè)的金屬護層，分布參數(shù)包括芯線的單位長度電阻、芯線的單位長度電感、金屬護層的單 位長度電阻、金屬護層的單位長度自感和芯線對金屬護層的單位長度電容；
[0008] B.根據(jù)單芯電力電纜的接地方式和線路長度，在MatlabSimulink軟件中做出等 效電路；
[0009] C.使用MatlabSimulink的監(jiān)視器功能模塊，在步驟B得到的等效電路中設(shè)定監(jiān) 測點進行電壓和電流的檢測，得到仿真電路，用以觀察特定單芯電力電纜位置的過電壓和 過電流情況；
[0010]D.根據(jù)實地采集的單芯電力電纜諧波含量數(shù)據(jù)或自行設(shè)定的諧波幅值，在步驟C 得到的仿真電路上施加激勵源，在每個頻率下，將步驟A中計算得到的對應(yīng)的分布參數(shù)代 入仿真電路，并運行仿真電路，采集仿真得到芯線的電壓數(shù)據(jù)、芯線的電流數(shù)據(jù)、金屬護層 的電壓數(shù)據(jù)和金屬護層的電流數(shù)據(jù)，分別做出芯線的電壓或芯線的電流對頻率的曲線圖以 及金屬護層電壓或金屬護層電流對頻率的曲線圖，觀察并分析是否出現(xiàn)諧振峰值，若出現(xiàn) 了諧振峰值的情況，進行記錄。
[0011] 所述的步驟A中芯線對金屬護層的單位長度電容的具體計算依次包括如下步驟：
[0012] All.在ANSYS軟件中選用二維靜電場分析模塊PLANE121，設(shè)定單位制為mks國際 單位制，根據(jù)單芯電力電纜的幾何參數(shù)，使用ANSYS軟件的自帶圖形工具建立單芯電力電 纜橫截面的二維平面幾何模型，其中單芯電力電纜的幾何參數(shù)包括單芯電力電纜內(nèi)芯線 的數(shù)量以及芯線、內(nèi)外半導(dǎo)體屏蔽層、金屬護層、絕緣層、鎧裝層和外皮的內(nèi)外半徑；
[0013] A12.根據(jù)單芯電力電纜各部分的材料參數(shù)給模型賦予材料屬性，材料參數(shù)包括芯 線、半導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、金屬屏蔽層、空氣和土壤的相對介電常數(shù)及電阻率；
[0014] A13.根據(jù)單芯電力電纜的幾何尺寸對整個模型進行剖分，首先將步驟B11中得 到的二維幾何模型的圓周分成至少8個相等的數(shù)段單元；其次，將這些數(shù)段單元進行控制 剖分，通過設(shè)定最大單元的長度上限控制單元的總數(shù)，通常將總單元數(shù)控制在十萬個內(nèi)；再 次，設(shè)定芯線和金屬護層為兩個導(dǎo)體，使用ANSYS自帶JCG求解器對模型進行求解；最后，使 用ANSYS自帶計算電容的宏命令cmatrix進行電容矩陣計算，并從計算結(jié)果中讀出芯線對 金屬護層的單位長度電容值。
[0015] 所述的步驟A中芯線的單位長度電阻、芯線的單位長度電感、金屬護層的單位長 度電阻和金屬護層的單位長度自感具體計算依次包括如下步驟：
[0016] A21.選用ANSYS有限元仿真軟件中的三維時諧磁場分析模塊S0LID97,根據(jù)單芯 電力電纜的幾何參數(shù)，使用ANSYS軟件的自帶圖形工具建立一段長度為lm的單芯電力電纜 的三維幾何模型，其中單芯電力電纜的幾何參數(shù)包括單芯電力電纜內(nèi)芯線的數(shù)量以及芯 線、內(nèi)外半導(dǎo)體屏蔽層、金屬護層、絕緣層、鎧裝層和外皮的內(nèi)外半徑；
[0017] A22.根據(jù)單芯電力電纜各部分的材料參數(shù)給三維幾何模型賦予材料屬性，材料參 數(shù)包括芯線、半導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、金屬屏蔽層、空氣和土壤的相對磁導(dǎo)率及電阻率；
[0018] A23.根據(jù)單芯電力電纜的幾何尺寸對整個三維幾何模型進行剖分：將步驟A21中 得到的三維幾何模型的金屬護層和芯線在軸向、切向和長度方向都分成均勻的數(shù)段單元， 其中軸向分段時保證金屬護層和芯線至少分成5段，切向分段將圓周均分為至少16段，長 度方向保證單元長度小于2cm;
[0019] A24.耦合單芯電力電纜三維幾何模型中芯線兩端的電壓，并在其中一端加載電壓 激勵，對模型進行求解；讀取單芯電力電纜芯線兩端電壓差矢量和芯線上電流矢量，計算出 此段單芯電力電纜的芯線復(fù)阻抗，用芯線復(fù)阻抗除以此段單芯電力電纜芯線的長度得到單 芯電力電纜芯線的單位長度復(fù)阻抗，單位長度復(fù)阻抗的實部即為單芯電力電纜芯線的單位 長度電阻值，單位長度復(fù)阻抗的虛部即為單芯電力電纜芯線的單位長度電感值；
[0020] A25.首先，將步驟A24中的耦合和激勵清零；其次，耦合單芯電力電纜三維幾何 模型中金屬護層兩端的電壓，并在其中一端加載電壓激勵，對模型進行求解；再次，讀取單 芯電力電纜金屬護層兩端電壓差矢量和金屬護層上電流矢量，計算出此段單芯電力電纜的 金屬護層復(fù)阻抗；最后，用金屬護層復(fù)阻抗除以此段單芯電力電纜金屬護層的長度得到單 芯電力電纜金屬護層的單位長度復(fù)阻抗，單位長度復(fù)阻抗的實部即為單芯電力電纜金屬護 層的單位長度電阻值，單位長度復(fù)阻抗的虛部即為單芯電力電纜金屬護層的單位長度電感 值；
[0021] 所述的步驟B依次包括以下步驟：
[0022] B1.根據(jù)傳輸線的分布參數(shù)等效模型，將單芯電力電纜等效為由多個單元級聯(lián)組 成的模型，其中每個單元由芯線的單位長度電阻、芯線的單位長度電感、芯線對金屬護層的 單位長度電容、金屬護層的單位長度電阻和金屬護層的單位長度自感組成一個二端口網(wǎng) 絡(luò)，即包含兩個輸入端口和兩個輸出端口的電路，其中芯線的單位長度電阻和芯線的單位 長度電感串聯(lián)連接在第一個輸入端口和第一個輸出端口之間，金屬護層的單位長度電阻和 金屬護層的單位長度電感串聯(lián)連接在第二個輸入端口和第二個輸出端口之間，芯線對金屬 護層的單位長度電容連接在兩個輸出端口之間，多個二端口網(wǎng)絡(luò)通過級聯(lián)的方式連接在一 起，第二個二端口網(wǎng)絡(luò)的兩個輸入端口分別接于第一個二端口網(wǎng)絡(luò)的兩個輸出端口上，以 此類推，第N個二端口網(wǎng)絡(luò)兩個輸入端口分別接于第N-1個二端口網(wǎng)絡(luò)的兩個輸出端口 上；
[0023] B2.根據(jù)單芯電力電纜的接地方式或為研究目的而預(yù)設(shè)的接地方式，搭建帶有接 地回路、等效電源及等效負載的單芯電力電纜等效電路；等效電源由Y型聯(lián)結(jié)的三相交流 電壓源表示，連接于單芯電力電纜電路的一端；等效負載由Y型聯(lián)結(jié)的三相負