一种确定耐张线夹载流量与三维温度场分布的方法与流程

本发明涉及涉及耐张线夹三维温度场分布以及载流量计算的技术领域，特别涉及一种确定耐张线夹载流量以及三维温度场分布的方法。

背景技术：

随着经济的快速发展，用电量也快速增长，促进了电网的建设。然而，在现在的情况下，输电走廊仍在一定程度上限制了电网的建设与发展。建设新的输电走廊需要耗费大量的资金与时间，在短期之内并不会对输电走廊的短缺起到缓解作用。因而，如何充分利用现有的线路的输电能力就成为了一个有实际意义的问题。

目前，输电线增容的主流技术包括静态增容技术，即在环境参数按照设计标准，提高导线温度运行，另一种是动态增容技术，即根据实时监测的环境参数计算当前条件下的载流量。导线增容主要受金具发热、导线的机械强度变化和弧垂增大的限制。在以往的电力行业规程中，人们规定在正常的运行条件下，耐张线夹的温度应该低于与其相连的架空输电线的温度。然而在实际的运行过程中，耐张线夹异常发热的现象时有发生，有时甚至高于导线温度100摄氏度以上。因此，在考虑输电线路的动态增容的过程中，耐张线夹发热便成为一个必须考虑的问题。

在以往的研究中，人们对于耐张线夹温度异常的分析大都停留在定性分析的角度，对于温度异常的发现也大多通过人工巡检等，缺乏定量的研究，这也就为输电线的动态增容带来了隐患。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种确定耐张线夹载流量与三维温度场分布的方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种确定耐张线夹载流量与三维温度场分布的方法，所述方法包括下列步骤：

s1、ansysmaxwell有限元模型构建，该步骤具体为：

s101、ansysmaxwell有限元模型中进行几何模型的构建；

s102、ansysmaxwell有限元模型中进行材料的选择；

s103、ansysmaxwell有限元模型中进行网格划分；

s104、ansysmaxwell有限元模型中进行载荷与边界条件的施加；

s105、计算得到各组件的欧姆损耗；

s2、ansyscfx有限元模型构建，该步骤具体为：

s201、ansyscfx有限元模型中进行几何模型的搭建；

s202、ansyscfx有限元模型中进行网格划分；

s203、ansyscfx有限元模型中进行材料的选择；

s204、ansyscfx有限元模型进行载荷和边界条件的施加；

s205、ansyscfx有限元模型的计算与后处理；

s3、ansysmaxwell有限元模型与ansyscfx有限元模型循环迭代，得到耐张线夹三维温度场分布，该步骤具体为：

s301、计算ansysmaxwell有限元模型中各部分生热率；

s302、计算ansyscfx有限元模型中各部分温度；

s303、循环迭代得到耐张线夹三维温度场分布。

进一步地，所述步骤s101具体为：

根据耐张线夹实际的几何形状进行具体划分，主要包括：压接段，不压段，接触层，引流板和导线；

所述步骤s102具体为：

将材料分为以下几种：不导电的真空材料、导电不良的接触层材料、铝、铝绞线、钢、钢绞线，其中铝绞线与钢绞线材料的电导率根据等效后圆柱与绞线的电阻相同的原则进行计算，接触层材料的电导率通过实际测得的接触电阻进行计算；

所述步骤s103具体为：

设定在接触层、钢芯径向划分2层，在铝管、铝绞线、钢锚径向划分3层，在引流板最大网格边长设定为10mm后由软件自动进行网格划分；

所述步骤s104具体为：

在几何体一外侧端面施加电流流入的激励，在几何体另一外侧端面施加电流流出的激励，以上两激励在数值上大小相等；

在后压段钢芯、钢锚与弯管之间施加绝缘边界条件，在下压接段铝线、钢芯与几何体之间的接触面上施加绝缘边界条件，设定各部分的温度值之后，设定频率为50hz的eddycurrent模式进行求解，获得各部分的欧姆损耗分布。

进一步地，所述步骤s105具体为：

通过ansysmaxwell的场计算器，通过积分运算计算出各部分的欧姆损耗值，作为ansyscfx模型内施加生热率的基础。

进一步地，所述步骤s201具体为：

在solidwork中根据耐张线夹实际的几何形状进行具体模型搭建，主要包括：压接段，不压段，接触层，引流板和导线。

进一步地，所述步骤s202具体为：

在solidwork软件内将上述几何模型建立，并且将空气离散成若干近似于六面体的几何体组成的形式；

将上述模几何型通过sat文件格式导入到icemcfd中，进行相关的转换错误修正，并且将各点、线、面进行分组；

根据相应的几何体的拓扑结果构建block，在进行了block于几何体的关联操作，并且调节网格的疏密，得到的该几何模型的有限元网格划分；

将得到的网格导入cfx0pre中。

进一步地，所述步骤s203具体为：

不考虑绞线与圆柱体之间在导热率等参数之间的差异，将ansyscfx内材料划分为以下几种：钢、铝、流体空气、不考虑流动性空气。

进一步地，所述步骤s204具体为：

在计算生热时，ansyscfx有限元模型中将以上各个几何体分别看作内部温度相差不大的整体，在每个几何体上分别施加各自独立的整体生热率；

在施加边界条件时，ansyscfx有限元模型中在空气外围施加开放边界条件，模拟外界环境，在对应的几何体的外端面施加绝热边界条件，近似认为在经过400mm的绞线之后，绞线的轴向传热的影响忽略不计，在流体与固体的交接面上除了默认的流固交界面之外，在固体一侧通过cel语言施加附加热流密度：

其中ε为发射率，σ＝1.3806488(13)×10^023(j/k)为玻尔兹曼常数，tout(k)为环境温度，t(k)为表面温度，在迭代时由求解器实时给出，以模拟固体表面的热辐射；在固体交界面上，在默认的固固交接面的基础上，在各考虑接触热阻与接触电阻的交接面上与施加接触热阻与生热率，其中接触电阻由实验测得，接触面接触热阻根据

求得，其中r接触电阻为接触面接触电阻(ω)，r接触热阻为接触面接触热阻(k/w)，σ为金属材料电导率(s/m)，λ为金属材料热导率(w/(m·k))。

进一步地，所述步骤s205具体为：

将ansyscfx有限元模型中输入cfxsolver中进行迭代计算，得到温度场的分布情况，使用cfxpost进行后处理，得到几何体的温度，将接触层的温度定义为相邻两个几何体的温度的平均值之后，也得到了接触层的温度。

进一步地，所述步骤s301具体为：

将ansysmaxwell有限元模型内的各部分设定一个初始温度，施加电流载荷，计算得到各部分的欧姆损耗，即为各部分的生热率。

进一步地，所述步骤s302具体为：

将步骤s301中得到的生热率施加到ansyscfx有限元模型的对应的几何体与交界面上，根据环境条件施加外围边界条件，计算得到各部分的温度。

进一步地，所述步骤s303具体为：

将步骤s302中得到的温度与步骤s301中设定的温度进行比较，若两个温度相差在1摄氏度之内，结束迭代，并且将得到的结果作为最终结果，否则用得到的温度作为步骤s301中的设定温度，并重复步骤s301、s302、s303。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明公开的一种确定耐张线夹载流量与三维温度场分布的方法，结合ny300/40型耐张线夹的实际尺寸结构，在进行了一定的简化之后，建立的耐张线夹以及相关的引流板、导线、空气在内的三维仿真模型，通过使用ansysmaxwll与ansyscfx得到了不同载流量下耐张线夹上的温度分布情况，能够从物理过程上还原耐张线夹温度场的分布，为定量分析耐张线夹的发热对于输电线路的影响提供了可能。

附图说明

图1是本发明公开的一种确定耐张线夹载流量与三维温度场分布的方法流程图；

图2是本发明公开的ny300/40耐张线夹在ansysmaxwell中对应几何模型编码示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例结合ny-300/40型耐张线夹为仿真对象，基于ansysmaxwell与ansyscfx，提出一种确定耐张线夹载流量以及三维温度场分布的方法，如附图1所示，该方法包括下列步骤：

s1、ansysmaxwell有限元模型构建，该步骤具体为：

s101、ansysmaxwell有限元模型中进行几何模型的构建；

具体实施方式中，根据耐张线夹实际的几何形状进行具体划分，主要包括：压接段，不压段，接触层，引流板和导线。

ansysmaxwell内的几何模型包括以下部分：

1、外圆半径为20mm，内圆半径为12.5mm，长为5mm的圆筒形压接段铝管1；

2、外圆半径为12.5mm，内圆半径为11.97mm，长为5mm的圆筒形压接段接触层1；

3、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为5mm的圆筒形压接段铝绞线1；

4、外圆半径为3.99mm，长为5mm的圆柱形压接段钢芯1；

5、外圆半径为20mm，内圆半径为12.5mm，长为10mm的圆筒形压接段铝管2；

6、外圆半径为12.5mm，内圆半径为11.97mm，长为10mm的圆筒形压接段接触层2；

7、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为10mm的圆筒形压接段铝绞线2；

8、外圆半径为3.99mm，长为10mm的圆柱形压接段钢芯2；

9、外圆半径为20mm，内圆半径为12.5mm，长为180mm的圆筒形压接段铝管3；

10、外圆半径为12.5mm，内圆半径为11.97mm，长为180mm的圆筒形压接段接触层3；

11、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为180mm的圆筒形压接段铝绞线3；

12、外圆半径为3.99mm，长为180mm的圆柱形压接段钢芯3；

13、外圆半径为20mm，内圆半径为12.5mm，长为165mm的圆筒形不压段铝管；

14、外圆半径为12.5mm，内圆半径为3.99mm，长为165mm的圆筒形不压段空气层；

15、外圆半径为3.99mm，长为165mm的圆柱形不压段钢芯；

16、外圆半径为20mm，内圆半径为12.5mm，长为65mm的圆筒形后压段铝管；

17、外圆半径为12.5mm，内圆半径为11.97mm，长为65mm的圆筒形后压段接触层；

18、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为65mm的圆筒形后压段钢锚；

19、外圆半径为3.99mm，长为65mm的圆柱形后压段钢芯；

20、半径为20mm，以半径为30mm的1/4圆弧扫掠生成的弯管；

21、由半径为20mm，高10mm的圆柱与一个上表面为7.5mm×33mm长方形、下表面为12.5mm×55mm的长方形的六面体组成的弯管与引流板的链接处；

22、长为100mm、宽为55mm、高为12.5mm的长方体引流板，内部有两个半径为5mm的通孔(由于连接引流板都铆钉与引流板之间接触并不是那么紧密，在本模型当作空气处理)；

23、长为100mm、宽为55mm、高为1mm的长方体引流板接触层，内部有两个半径为5mm的通孔；

24、长为100mm、宽为55mm、高为12.5mm的长方体引流板，内部有两个半径为5mm的通孔；

25、由半径为20mm，高10mm的圆柱与一个上表面为7.5mm×33mm长方形、下表面为12.5mm×55mm的长方形的六面体组成的下压接段与引流板的链接处；

26、外圆半径为20mm，内圆半径为12.5mm，长为130mm的圆筒形下压接段铝管；

27、外圆半径为12.5mm，内圆半径为11.97mm，长为130mm的圆筒形下压接段接触层；

28、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为130mm的圆筒形下压接段铝绞线；

29、外圆半径为3.99mm，长为130mm的圆柱形下压接段钢芯；

30、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为400mm的圆筒形在线夹上部引入电流的模拟铝线的铝绞线部分；

31、外圆半径为3.99mm，长为400mm的圆柱形在线夹上部引入电流的模拟铝线的钢芯部分；

32、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为400mm的圆筒形在线夹下部引出电流的模拟铝线的铝绞线部分；

33、外圆半径为3.99mm，长为400mm的圆柱形在线夹下部引出电流的模拟铝线的钢芯部分；

34、包裹线夹以及铝线的长方体空气部分。如附图2所示，对应于图2中的方框，方框包围的是计算时的空气域。

s102、ansysmaxwell有限元模型中进行材料的选择；

将材料分为以下几种：不导电的真空材料、导电不良的接触层材料、铝、铝绞线、钢、钢绞线，其中铝绞线与钢绞线材料的电导率根据等效后圆柱与绞线的电阻相同的原则进行计算，接触层材料的电导率通过实际测得的接触电阻进行计算。其中，

使用真空材料的几何体有：34；

使用接触层材料的几何体有：2、6、10、17、23、27；

使用铝材料的几何体有：1、5、9、13、16、21、22、24、25、26；

使用铝绞线材料的几何体有：3、7、11、28、30、32；

使用钢材料的几何体有：18；

使用钢绞线材料的几何体有：4、8、12、15、19、29、31、33。

s103、ansysmaxwell有限元模型中进行网格划分；

设定在接触层、钢芯径向划分2层，在铝管、铝绞线、钢锚径向划分3层，在引流板最大网格边长设定为10mm后由软件自动进行网格划分。

s104、ansysmaxwell有限元模型中进行载荷与边界条件的施加；

在几何体30、31外侧端面施加电流流入的激励，在几何体32、33外侧端面施加电流流出的激励，以上两激励在数值上大小相等。在后压段钢芯、钢锚与弯管之间施加绝缘边界条件(为简化前，钢锚与弯管部分之间并没有压接，认为绝缘)，在下压接段铝线、钢芯与几何体25之间的接触面上施加绝缘边界条件。设定各部分的温度值之后，设定频率为50hz的eddycurrent模式进行求解，获得各部分的欧姆损耗分布。

s105、计算得到各组件的欧姆损耗；

通过ansysmaxwell的场计算器，通过积分运算计算出各部分的欧姆损耗值，作为ansyscfx模型内施加生热率的基础。

s2、ansyscfx有限元模型构建，该步骤具体为：

s201、ansyscfx有限元模型中进行几何模型的搭建；

在solidwork中根据耐张线夹实际的几何形状进行具体模型搭建，主要包括：压接段，不压段，接触层，引流板和导线。

ansyscfx内的几何模型包括以下部分：

1、外圆半径为20mm，内圆半径为11.97mm，长为5mm的圆筒形压接段铝管1；

2、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为5mm的圆筒形压接段铝绞线1；

3、外圆半径为3.99mm，长为5mm的圆柱形压接段钢芯1；

4、外圆半径为20mm，内圆半径为11.97mm，长为10mm的圆筒形压接段铝管2；

5、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为10mm的圆筒形压接段铝绞线2；

6、外圆半径为3.99mm，长为10mm的圆柱形压接段钢芯2；

7、外圆半径为20mm，内圆半径为11.97mm，长为180mm的圆筒形压接段铝管3；

8、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为180mm的圆筒形压接段铝绞线3；

9、外圆半径为3.99mm，长为180mm的圆柱形压接段钢芯3；

10、外圆半径为20mm，内圆半径为11.97mm，长为165mm的圆筒形不压段铝管；

11、外圆半径为12.5mm，内圆半径为3.99mm，长为165mm的圆筒形不压段空气层；

12、外圆半径为3.99mm，长为165mm的圆柱形不压段钢芯；

13、外圆半径为20mm，内圆半径为11.97mm，长为65mm的圆筒形后压段铝管；

14、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为65mm的圆筒形后压段钢锚；

15、外圆半径为3.99mm，长为65mm的圆柱形后压段钢芯；

16、半径为20mm，以半径为30mm的1/4圆弧扫掠生成的弯管；

17、由半径为20mm，高10mm的圆柱与一个上表面为7.5mm×33mm长方形、下表面为12.5mm×55mm的长方形的六面体组成的弯管与引流板的链接处；

18、长为100mm、宽为55mm、高为12.5mm的长方体引流板，内部有两个半径为5mm的通孔；

19、长为100mm、宽为55mm、高为12.5mm的长方体引流板，内部有两个半径为5mm的通孔；

20、由半径为20mm，高10mm的圆柱与一个上表面为7.5mm×33mm长方形、下表面为12.5mm×55mm的长方形的六面体组成的下压接段与引流板的链接处；

21、外圆半径为20mm，内圆半径为12.5mm，长为130mm的圆筒形下压接段铝管；

22、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为130mm的圆筒形下压接段铝绞线；

23、外圆半径为3.99mm，长为130mm的圆柱形下压接段钢芯；

24、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为400mm的圆筒形在线夹上部引入电流的模拟铝线的铝绞线部分；

25、外圆半径为3.99mm，长为400mm的圆柱形在线夹上部引入电流的模拟铝线的钢芯部分；

26、外圆半径为11.97mm，内圆半径为3.99mm，长为400mm的圆筒形在线夹下部引出电流的模拟铝线的铝绞线部分；

27、外圆半径为3.99mm，长为400mm的圆柱形在线夹下部引出电流的模拟铝线的钢芯部分；

28、在两引流板通孔内的两圆柱形钢铁铆钉；

29、包裹线夹以及铝线的长方体空气部分；

s202、ansyscfx有限元模型中进行网格划分；

在solidwork软件内将上述几何模型建立，并且将空气离散成若干近似于六面体的几何体组成的形式；

将上述模几何型通过sat文件格式导入到icemcfd中，进行相关的转换错误修正，并且将各点、线、面进行分组；

根据相应的几何体的拓扑结果构建block，在进行了block于几何体的关联操作，并且调节网格的疏密，得到的该几何模型的有限元网格划分；

将得到的网格导入cfx0pre中。

s203、ansyscfx有限元模型中进行材料的选择；

不考虑绞线与圆柱体之间在导热率等参数之间的差异，将ansyscfx内材料划分为以下几种：钢、铝、流体空气、不考虑流动性空气。

使用钢材料的几何体有：3、6、9、12、14、15、23、25、27、28；

使用铝材料的几何体有：1、2、4、5、7、8、10、13、16、17、18、19、20、21、22、24、26；

使用空气(流体)材料的几何体有：29；

使用空气(不考虑流动性)材料的几何体有：11。

s204、ansyscfx有限元模型进行载荷和边界条件的施加；

在计算生热时，ansyscfx有限元模型中将以上各个几何体分别看作内部温度相差不大的整体，在每个几何体上分别施加各自独立的整体生热率，生热率的具体数值由s105中得到，不同几何体之间的对应关系见表1。

表1ansysmaxwell模型内几何体与ansyscfx模型几何体编号对应图

在施加边界条件时，ansyscfx有限元模型中在空气外围施加开放边界条件，模拟外界环境，在对应的几何体24、25、26、27的外端面施加绝热边界条件，近似认为在经过400mm的绞线之后，绞线的轴向传热的影响忽略不计，在流体与固体的交接面上除了默认的流固交界面之外，在固体一侧通过cel语言施加附加热流密度：

其中ε为发射率，σ＝1.3806488(13)×10^023(j/k)为玻尔兹曼常数，tout(k)为环境温度，t(k)为表面温度，在迭代时由求解器实时给出，以模拟固体表面的热辐射；在固体交界面上，在默认的固固交接面的基础上，在各考虑接触热阻与接触电阻的交接面上与施加接触热阻与生热率，其中接触电阻由实验测得，接触面接触热阻根据

求得，其中r接触电阻为接触面接触电阻(ω)，r接触热阻为接触面接触热阻(k/w)，σ为金属材料电导率(s/m)，λ为金属材料热导率(w/(m·k))。

s205、ansyscfx有限元模型的计算与后处理；

将ansyscfx有限元模型中输入cfxsolver中进行迭代计算，得到温度场的分布情况，使用cfxpost进行后处理，得到几何体的温度，将接触层的温度定义为相邻两个几何体的温度的平均值之后，也得到了接触层的温度。

s3、ansysmaxwell有限元模型与ansyscfx有限元模型循环迭代，得到耐张线夹三维温度场分布，该步骤具体为：

s301、计算ansysmaxwell有限元模型中各部分生热率；

将ansysmaxwell有限元模型内的各部分设定一个初始温度，施加电流载荷，计算得到各部分的欧姆损耗，即为各部分的生热率。

s302、计算ansyscfx有限元模型中各部分温度；

将步骤s301中得到的生热率施加到ansyscfx有限元模型的对应的几何体与交界面上，根据环境条件施加外围边界条件，计算得到各部分的温度。

s303、循环迭代得到耐张线夹三维温度场分布；

将步骤s302中得到的温度与步骤s301中设定的温度进行比较，若两个温度相差在1摄氏度之内，结束迭代，并且将得到的结果作为最终结果，否则用得到的温度作为步骤s301中的设定温度，并重复步骤s301、s302、s303。整个迭代过程如图1所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。