一种电力电缆磁-热耦合场的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电缆领域，具体设及一种基于ANSYS的电力电缆磁-热禪合场的 计算方法。
【背景技术】
[0002] 电力电缆在运行中必然会产生损耗，从而引起发热，电缆溫度升高，因此电缆的敷 设需要考虑到电缆的散热问题，保证电缆在运行中不会因超溫导致绝缘老化加速，电缆寿 命缩短，甚至电缆立刻破坏。且影响电缆溫度场的因素复杂多变，电缆的载流量也很难准确 地确定。
[0003] 近年来，光纤传感测溫技术的成熟，使其成为电力设备溫度在线监测的重要测量 手段。其在电缆上的应用，如果仅仅是监测线忍与表皮的溫度，无法体现光纤分布式测溫的 实际价值。电缆绝缘材料的破坏常伴随着正反馈的发热过程，而热过程恰为分布式光纤溫 度测量监测技术提供有用信息，若能在线监测出运些信息，一旦绝缘发生故障，局部电缆溫 升是极高的，其准确而及时的定位是可能的。电缆绝缘内部电热联合故障导致局部过热使 原来的溫度分布崎变，准确分析运种崎变的溫度分布，对基于分布式光纤测溫的电缆绝缘 故障在线监测技术具有重要的研究意义。
[0004] 电缆制造企业和电力运行部口对电缆的损耗与溫升备受关注。对于不同铺设条 件，一般都要进行实验。实验研究受制于费用、时间、实验条件和环境等诸多因素，显然通过 实验研究不同情况下的损耗、溫度和载流量存在很多的麻烦，而用数学计算法的出现为其 大开方便之口。采用数学的分析手段研究电力电缆的损耗与溫升，提高电缆的容量利用率 和准确的评估绝缘状态，对电缆的可靠、安全、经济运行具有重要的实际意义。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种电力电缆磁-热禪合场的计算方法，该 方法对电力电缆进行磁-热禪合场的计算，再将每个场按希望的顺序逐个分析，禪合分析 过程是把前一个场的分析结果作为载荷传递给后一个场中分析的方式。该方法求解方式灵 活，对处理电缆损耗与溫升的运类磁-热禪合问题非常适用。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：一种电力电缆磁-热禪合场的计算方法，包括：
[0007]S1)建立电力电缆电磁场和溫度场物理模型；
[0008]S2)建立电力电缆物理仿真模型，明确计算参数和边界条件；
[0009] S3)对电力电缆测量得到相应计算参数；
[0010] S4)根据电磁场和溫度场物理仿真模型W及相应的计算参数，对电力电缆的电磁 场和溫度场进行求解；
[0011] S5)如果计算结果收敛，则得到电力电缆的磁场和热场，实现磁-热禪合分析；如 计算结果不收敛，则返回到步骤S4进行迭代分析，直至收敛。
[0012] 所述的计算方法，步骤S1建立物理模型的方法包括：
[0013] 当电力电缆在工频条件下正常运行时，磁-热禪合场的计算需进行如下假设：
[0014] 1)电缆长度非常大，远远大于电缆的直径，因此在计算时只考虑电缆径向的溫度 场分布，进行二维平面计算；
[0015] 2)忽略空间电荷W及位移电流的影响；
[0016] 3)电缆及±壤材料的磁导率都是线性的；
[0017] 4)电缆导体与金属套之间只有绝缘层，导体屏蔽层忽略，即电缆截面从内向外依 次包括导体、绝缘层、金属套、外护套、±壤；
[0018] 在库伦规范下对电缆各层结构的磁矢量进行分析，得到电力电缆各区域矢量磁位 方程：
[001引 电缆导体区域，
[0020] V%=-y
[0021] 上式中，1是导体区域的电流密度，A1表示导体层的矢量磁位，y0表示真空磁导 率.
[002引 电缆绝缘层区域，
[0023] V%= 0
[0024] 上式中，Az表示绝缘层矢量磁位；
[002引 电缆金属套区域，
[0026] V%=-y
[0027] 上式中，J。表示金属套满电流密度，A3表示绝缘层和金属套矢量磁位；
[0028] 电缆外护套区域，
[0029] V%= 0
[0030] 上式中，A4表示外护套矢量磁位；
[003。 ±壤区域，
[0032] V%= 0
[0033] 上式中，As表示±壤区域的矢量磁位；
[0034] 此外，电缆各层W及上壤的边界上面的连续方程为：
[0035]
[0036] 上式中，i和j表示相邻区域的编号（i、j取值与之前的A1-A5的下标对应），n为 单位法向矢量，y1、y,分别表示第i、j区域的磁导率；
[0037] 金属屏蔽层内部的满流损耗计算公式为：
[0038]
[0039] 式中，Je表示金属套感应电流密度，A3表示金属屏蔽层的矢量磁位，化为单位长 度满流损耗功率，丫 3为金属套材料的电导率，ri表示各单元到轴屯、的距离，Si表示各单元 面积。
[0040] 电缆的溫度场是由等值热路法来进行分析的，热路和热流场相应于电路或电流场 中的物理量，即：
[0041] 根据传热学的理论，分别计算出电缆绝缘层、内衬层（金属套和外护套之间）、外 被层（外护套）和周围媒质（±壤或空气）的热阻Ti~T4,计算公式如下：
[004引式中，、A:、戶,';'A,分别为绝缘层、内衬层、外被层和±壤的导热系数，Di和D。分别为绝缘层内径和外径，D。和D'，分别为内衬层内径和外径，De和D'。分别为外被层内 径和外径，L为电缆敷设深度。再用有限元方法计算电缆热场（如通过ANSYS进行计算）。
[0047] 所述的计算方法，步骤S2建立电缆物理仿真模型的方法包括：设电缆是轴对称的 圆柱体形状，其产生的电磁场是二维平面场，热场亦忽略轴向热流的传导，此计算场亦为二 维场；然后设定=相电缆敷设于范围无限大的±壤中，=根电缆位于模型的中间位置，左边 的为A相，中间的为B相，右边的为C相；模型的上边界为对流边界条件，下边界设置强加恒 定溫度（25摄氏度），两边为自然边界条件；最后根据运些设定建立磁-热禪合场的电力电 缆ANSYS物理仿真模型。
[0048] 所述的方法，步骤S2的计算参数包括电缆铜导体层、绝缘层、半导电无纺布层、金 属护套层、PVC外护套层和±壤的电导率、相对介电常数、导热系数、密度和常压热容等相关 参数。
[0049] 所述的方法，±壤W及电力电缆各层结构的材料物性参数可查阅电力电缆产品手 册得知。
[0050] 所述的计算方法，步骤S4求解的方法包括：利用ANSYS软件建立磁-热禪合场物 理模型，在物理模型中，给电缆线忍施加S相电流（可施加1000A左右的大小的电流值），设 定电缆敷设间距（一般为0. 5m)，经计算后得到整个求解区域的溫度分布、电缆的损耗值和 溫度值W及电缆的载流量。
[0051] 所述的方法，得到溫度分布、电缆的损耗值和溫度值W及电缆的载流量的方法具 体包括：使用感应加热物理场进行电力电缆溫度场与载流量数值计算；在计算过程中，先 确定一个初步的载流量，根据公式计算损耗，得到电缆及其周围环境溫度场分布，如果电缆 导体的最高溫度低于90°C，则增加电流大小，重新进行计算；如果电力电缆的导体最高溫 度高于90°C，则减小电流大小，重新计算；最终得到电缆导体溫度为90°C时的电流，即为所 需的载流量；并通过对电力电缆溫度值和载流量的分析结果，求解不同敷设间距下电力电 缆的损耗值和溫度分布。
[0052] 所述的方法，步骤S5磁-热禪合分析的方法包括：分析线忍溫度的影响因素和计 算最大载流量。
[005引本发明的优点：本发明提供了一种基于ANSYS的电力电缆磁-热禪合场的计算方 法，该方法可解决电力电缆溫升和损耗分析中电缆磁-热禪合方面的问题。该方法在模型 建立、单元选取和网格划分方面都很灵活，与其他传统方法相比有着较快的求解速度，具有 较强的工程实用性。同时，本发明所采用的方法可提高电缆的容量利用率和准确的评估绝 缘状态，对电缆的可靠、安全、经济运行具有重要的实际意义。
【附图说明】
[0054]附图1为一种基于ANSYS的电力电缆磁-热禪合场的计算方法；
[00财图2双回路电缆敷设示意图（A、B、C表示S相）；
[0056] 图3单回路一字形敷设示意图（S表示间距）。
【具体实施方式】
[0057] 本发明提供了一种基于ANSYS的电力电缆磁-热禪合场的计算方法，包括：S1)建 立电力电缆物理仿真模型，建立电磁场和溫度场物理模型；S2)明确电磁场计算参数和求 解类型；S3)写入电磁场分析文件，然后明确溫度场分析数据