超负荷运行的光纤复合海底电缆温度特性分析方法与流程

本发明涉及光纤复合海底电缆分析方法，尤其指超负荷运行的光纤复合海底电缆温度特性分析方法。

背景技术：

我国海岸线较长，岛屿众多，海底电缆在远程供电、高压输电和通信等方面发挥着非常重要的作用。近年来，交联聚乙烯（cross-linkedpolyethylene，xlpe）三芯光纤复合海底电缆在海底配电网中得到了广泛应用。然而，由于海底电缆造价昂贵、敷设及维修较为困难，海缆的增长速度远不能跟上岛屿用电需求的增加，因此海底配电网中海缆超负荷运行时有发生。三芯海缆长期超负荷运行会加速交联聚乙烯材料的老化，影响海缆的使用寿命，甚至导致三芯海缆绝缘热击穿，因此对海缆超负荷运行的研究十分必要。

目前，对海缆载流量计算方法较多，有热路模型法、软件计算法、有限元法等。针对海缆过负载的研究主要集中在单芯，随着用电需求的增加及电缆廊道的减少，三芯海缆在海底配电网中应用越来越广泛，但目前针对三芯光纤复合海底电缆超负荷的研究缺乏直观有效的方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供超负荷运行的光纤复合海底电缆温度特性分析方法，以达到提高目的。为此，本发明采取以下技术方案。

超负荷运行的光纤复合海底电缆温度特性分析方法，海缆包括导电线芯、光纤单元、铠装、外被层及设于铠装和导电线芯、光纤单元之间的填充物，所述的导电线芯由内至外依次为阻水铜导体、导体屏蔽层、xlpe绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电阻水层、铅合金护套、防腐层和pe护套；光纤复合海底电缆温度特性分析方法特征在于包括以下步骤：

一）海缆的有限元建模：

1）几何模型建立，在建模时，将导体屏蔽层、xlpe绝缘层和绝缘屏蔽层合并形成绝缘层，防腐层和pe护套合并形成内护套；在建立海缆模型时,用圆柱体代替海缆绞合结构；海缆深埋于海床土壤之中，设定海缆周围海床的土壤层与海缆长度相同，海缆位于土壤层的中心，土壤层截面边长设为海缆实际敷设深度的2倍；

2）单元类型和材料参数的设置，solid69单元用于铜导体和铅合金护套中温度场与电场的直接耦合运算，描述电流产生焦耳热的过程；solid90热实体单元对非铜导体层进行仿真分析，solid90热实体单元拥有多个节点，每个节点只包含温度自由度；输入铜导体、绝缘层、半导电阻水层、铅护套、内护套、填充层、铠装垫层、铠装层、外被层、土壤、光单元的材料参数；

3）有限元网格划分，对填充物实现智能网格划分，其他体则采用扫略网格划分方式完成，并对海缆适当进行网格加密，提高计算精度；

4）边界约束及载荷施加，模型下边界的深层土壤层温度设为恒定；海缆过负荷运行时轴向温度基本一致，设模型左右边界不存在法向热流；产生的感应电压和感应电流均为0；通过限制载流体电压自由度，并对该截面的某一节点施加电流载荷完成超负荷运行仿真；

二）有限元仿真：

1）稳态仿真分析；

a）获得铜导体最高允许工作温度、土壤温度、土壤热阻系数、敷设深度、额定载流量；额定载流量为海缆在陆地段的额定载流量或根据陆地段的额定载流量修正的海底段的额定载流量；

b)对陆地段海缆模型和海底段海缆模型施加对应额定载流量,通过稳态计算得到海缆铜导体最终温度；

c)判断海缆铜导体最终温度与铜导体最高允许工作温度的差值是否在设定范围内；若在可接受的范围内，则证明所建模型正确；

2）超负荷仿真分析；

a)陆地段海缆超负荷运行仿真；

a)获取典型日的周期负荷曲线最大值；

b)根据周期负荷曲线最大值，对陆地段海缆模型和海底段海缆模型施加对应的负荷，在24小时后，进行超负荷仿真；

c)记录不同超负荷情况下海缆铜导体温度达到最高允许工作温度时的时间；

b)海底段海缆超负荷运行仿真；

a)将陆地段海缆的载荷同样施加于海底段的海缆模型；根据周期负荷曲线，对海底段海缆模型施加对应的负荷，在24小时后，进行超负荷仿真；

b)记录不同超负荷情况下海缆铜导体温度达到最高允许工作温度时的时间；

c)仿真结果分析；

分析陆地段、海底段的海缆超负荷运行仿真结果；比对在同样超负荷情况下的陆地段、海底段的海缆应急时间差，及应急时间差随超负荷变化的情况，应急时间为铜导体温度上升至最高允许工作温度所需的时间。

本技术方案建立了三芯光纤复合海底电缆的三维模型，利用有限元方法仿真海缆陆地段以及海底段在过负荷时的温度变化情况，代替实体试验，达到低成本、高效率的目的。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

海缆包括三根导电线芯、一根光单元，三根导电线芯品字行排列。

在稳态分析时，取铜导体最高允许工作温度为90℃，土壤温度为25℃，土壤热阻系数为1.2km/w,敷设深度1.5m,空气温度为40℃时的载流量。

在进行超负荷仿真时，对海缆施加的载荷为正常载荷的120%、140%、160%、180%、200%。对多种负荷进行仿真，以提高准确性。

有益效果：本技术方案建立了三芯光纤复合海底电缆的三维模型，利用有限元方法仿真海缆陆地段以及海底段在过负荷时的温度变化情况，代替实体试验，达到直观、低成本、高效率的目的。

附图说明

图1是本发明三芯光纤复合海底电缆结构剖面图。

图2（a）是本发明的整体网格划分效果图。

图2（b）是本发明海缆网格划分效果图。

图3(a)是陆地段海缆温度分布云图。

图3(b)是海底段海缆温度分布云图。

图4是福建省某县七月份某天周期负荷曲线。

图5是陆地段海缆铜导体温度变化图。

图6是海底段海缆铜导体温度变化图。

图7是本发明流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图7所示，本发明于包括以下步骤：

一）海缆的有限元建模：

1）几何模型建立，在建模时，将导体屏蔽层、xlpe绝缘层和绝缘屏蔽层合并形成绝缘层，防腐层和pe护套合并形成内护套；在建立海缆模型时,用圆柱体代替海缆绞合结构；海缆深埋于海床土壤之中，设定海缆周围海床的土壤层与海缆长度相同，海缆位于土壤层的中心，土壤层截面边长设为海缆实际敷设深度的2倍；

2）单元类型和材料参数的设置，solid69单元用于铜导体和铅合金护套中温度场与电场的直接耦合运算，描述电流产生焦耳热的过程；solid90热实体单元对非铜导体层进行仿真分析，solid90热实体单元拥有多个节点，每个节点只包含温度自由度；输入铜导体、绝缘层、半导电阻水层、铅护套、内护套、填充层、铠装垫层、铠装层、外被层、土壤、光单元的材料参数；

3）有限元网格划分，对填充物实现智能网格划分，其他体则采用扫略网格划分方式完成，并对海缆适当进行网格加密，提高计算精度；

4）边界约束及载荷施加，模型下边界的深层土壤层温度设为恒定；海缆过负荷运行时轴向温度基本一致，设模型左右边界不存在法向热流；产生的感应电压和感应电流均为0；限制载流体电压自由度，并对该截面的某一节点施加电流载荷；

二）有限元仿真：

1）稳态仿真分析；

a）获得铜导体最高允许工作温度、土壤温度、土壤热阻系数、敷设深度、额定载流量；额定载流量为海缆在陆地段的额定载流量或根据陆地段的额定载流量修正的海底段的额定载流量；

b)对陆地段海缆模型和海底段海缆模型施加对应额定载流量,通过稳态计算得到海缆铜导体最终温度；

c)判断海缆铜导体最终温度与铜导体最高允许工作温度的差值是否在设定范围内；若在可接受的范围内，则证明所建模型正确；

2）超负荷仿真分析；

a)陆地段海缆超负荷运行仿真；

a)获取典型日的周期负荷曲线最大值；

b)根据周期负荷曲线最大值，对陆地段海缆模型和海底段海缆模型施加对应的负荷，在24小时后，进行超负荷仿真；

c)记录不同超负荷情况下海缆铜导体温度达到最高允许工作温度时的时间；

b)海底段海缆超负荷运行仿真；

a)将陆地段海缆的载荷同样施加于海底段的海缆模型；根据周期负荷曲线，对海底段海缆模型施加对应的负荷；在24小时后，进行超负荷仿真；

b)记录不同超负荷情况下海缆铜导体温度达到最高允许工作温度的时间；

c)仿真结果分析；

分析陆地段、海底段的海缆超负荷运行仿真结果；比对在同样超负荷情况下的陆地段、海底段的海缆应急时间差，及应急时间差随超负荷变化的情况，应急时间为铜导体温度上升至最高允许工作温度所需的时间。

本技术方案建立了三芯光纤复合海底电缆的三维模型，利用有限元方法仿真海缆陆地段以及海底段在过负荷时的温度变化情况，代替实体试验，达到低成本、高效率的目的。

下面就具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本实施例采用的hyjqf41-f64/110kv3*400铜芯xlpe绝缘光纤复合海底电缆海底电缆由三个完全相同的导电线芯、一根光单元及外层材料绞合而成，实物及剖面图如图1所示。

由图1可知，三芯海缆的导电线芯在海缆内呈“品”字形排列，由内到外依次为阻水铜导体1、铜导体屏蔽2、xlpe绝缘3、绝缘屏蔽4、半导电阻水层5、合金护套6、防腐层7和pe护套8。外层材料由内到外依次为填充物9、包带10、pp内垫层11、钢丝铠装12和pp外被层13。在填充物内的光纤单元14由聚乙烯内护套和钢管组成，通信用单模光纤呈松弛状态置于钢管之中。铜导体由导电圆单线逐层绞合而成；线芯以及光单元分别以绞合的方式被包裹在填充物内；钢丝铠装层则由铠装钢丝以层绞的方式缠绕在海缆指定层。

三芯光纤复合海底电缆结构较为复杂，本实施例在实际建模过程中根据iec（国际电工委员会）标准对模型进行了适当简化。铜导体屏蔽、xlpe绝缘以及绝缘屏蔽都为聚乙烯材料，电热特性相似，且铜导体屏蔽和绝缘屏蔽较薄，将这三层合并，统称绝缘层。三芯海缆包带层较薄，将其与填充物合并为一层。简化后的海缆各层尺寸如表1所示。

表1海底电缆结构简化表

三芯光纤复合海底电缆过负荷运行状态下的轴向温差很小，且海缆的绞合结构是为了增强海缆的机械强度，对内部热量传递及温度分布等影响较小，因此建立海缆模型时，将海缆轴向长度设定为0.1m,用圆柱体代替实际的海缆绞合结构。海缆深埋于海床土壤之中，设定海缆周围海床的土壤层与海缆长度相同，海缆位于土壤层的中心，土壤层截面边长由海缆实际敷设深度决定。

1.1单元类型和材料参数的设置

ansys软件中有许多可进行电热耦合分析的单元类型，其中solid69单元同时包含电压和温度两个自由度，可用于铜导体和铅合金护套中温度场与电场的直接耦合运算，描述电流产生焦耳热的过程。海缆的非铜导体层只发生热传递，没有电流，因此采用solid90热实体单元进行仿真分析，该单元拥有二十个节点，每个节点只包含温度自由度，对电参数不敏感。

海缆稳态运行时温升不随时间变化，暂态运行时的海缆温度则是时间的函数。为了充分研究海缆的过负荷运行特性，必须考虑海缆暂态运行，对海缆的过负荷运行仿真需要用到的材料参数（20℃时）如表2所示。

表2海缆有限元模型材料参数表

2.3有限元网格划分

有限元仿真计算以网格单元为单位进行，合理划分网格是进行有效计算的前提。ansys软件提供了以下几种不同的网格划分方式：智能网格划分、扫掠网格划分、映射网格划分和混合划分。由于海缆结构较为复杂，采用单一的网格划分方式会得到较差的网格质量，影响计算的收敛性及精确度。本实施例通过控制海缆截面上的线以及轴线的尺寸，对填充物实现智能网格划分，其他体则采用扫略网格划分方式完成，并对海缆适当进行网格加密，提高计算精度。划分好的网格效果如图2所示。

2.4边界约束及载荷施加

合理定义海缆的边界约束条件是正确仿真三芯海缆超负荷的前提。陆地土壤层与空气存在空气自然对流，海床土壤层与海水之间存在海水对流换热；模型下边界的深层土壤层温度设为恒定；海缆过负荷运行时轴向温度基本一致，设模型左右边界不存在法向热流^[5]。

三芯光纤复合海底电缆的铠装金属护套两端接地，正常运行时流经三芯的电流相互平衡，感应的磁通相互抵消，因此产生的感应电压和感应电流均为0。本实施例通过限制载流体电压自由度，并对该截面的某一节点施加电流载荷完成超负荷运行仿真。

3.有限元仿真

3.1稳态分析

根据工程技术手册给定的参考数据，屏蔽层为铅套的hyjqf41-f64/110kv3*400铜芯xlpe绝缘光纤复合海底电缆的铜导体最高允许工作温度为90℃，土壤温度为25℃，土壤热阻系数为1.2km/w,敷设深度1.5m,空气温度为40℃（不受日光直射）时的载流量为530a。陆地温度较高、土壤散热较慢，工程技术手册给定的载流量为海缆在陆地段的额定载流量。海缆的大部分处于海底，海底温度较低，并且海水散热较快，海底段的载流量应高于陆地段，因此应对海底段的额定载流量进行适当修订，修正系数如下表所示：

表3（a）环境温度不同时的载流量修正系数

表3（b）不同土壤热阻系数的载流量修正系数

表3（c）不同敷设深度的载流量修正系数

设海床深层土壤温度与海水温度相同，均为25℃，海底土壤的热阻系数为0.8km/w,海底段的海缆敷设深度为2m，经过修正后的载流量约为678a。

在ansys中分别建立三芯海缆陆地段和海底段的三维几何模型，将相应载流量施加到建立的模型上，通过稳态计算得到的海缆温度分布云图如图3所示。

仿真可知，对三芯陆地海缆段模型和海底海缆模型施加额定载流量后得到的海缆铜导体最终温度分别为91.66℃、91.04℃，与铜导体最高允许工作温度仅相差1.66℃、1.04℃。在建模过程中，为了提高计算效率，本实施例对海缆模型进行了简化，因此仿真过程中不可避免的存在误差，但在可接受的范围内，稳态求解结果证实了本实施例所建模型的正确性。由图3（a）可知，由于陆地表面空气温度达40℃，海缆上层整体土壤温度要高于海缆以下的土壤层温度。图3（b）中的海缆由于深埋海底土壤层，海水导热性好，海底土壤温度设为与海水温度相同，因此模型上下温度较为均匀。

3.2超负荷仿真分析

3.2.1陆地段海缆超负荷运行仿真

三芯海缆在对岛屿供电过程中并不是时时以额定载流量运行，其载流量呈现周期性变化，传输负荷以24h为一变化周期。由于热时间常数作用，即使海缆在短时间内达到额定载流量，温度也不会立刻升到90℃。在实际运行过程中，日负载系数及周期性负荷载流量因数的不同，海缆的周期性载流量波形略有差异。取福建省某县110kv海缆7月份某天日周期性负载曲线，如图4所示。

由图可知，该县的用电高峰期出现在早8点至晚22点之间，其中上午11：30左右出现一天内的用电峰值。让本实施例海缆在该负载下运行24小时后，再进行海缆超负荷运行仿真，结果如图4所示。

由图5可知，海缆在日常运行过程中铜导体温度稳定在35℃左右，对海缆施加过负荷以后，海缆温度会迅速上升，随着超负荷情况的加剧，海缆铜导体的温升速率也在不断增大。三芯海缆在超负荷20%的情况下运行，经376个小时后，海缆铜导体温度会达90℃，同样，对海缆施加140%、160%、180%、200%的负荷后，铜导体达到90℃所需的时间分别为44.96h、8.3h、2.85h、1.43h。已知三芯海缆的绝缘层最高允许工作温度为90℃，因此海缆铜导体从正常运行温度达到90℃所需的时间也就是最大的应急时间。海缆在超负荷100%运行的时间不能超过1.43小时，倘若在该时间内未能及时制止海缆的超负荷运行，会加速海缆绝缘层老化，减少海缆寿命，严重时会导致海缆绝缘失效，引发故障。

3.2.2海底段海缆超负荷运行仿真

将陆地段海缆的载荷施加于海底段的海缆模型，得到的仿真曲线如图6所示。由图6可知，同样的载荷施加在海底段模型，铜导体达到90℃的时间比陆地模型铜导体达到90℃的时间要长，对海缆施加120%、140%、160%、180%、200%的载荷，铜导体达到90℃的时间分别为395h、68.98h、8.5h、2.87h、1.45h。

3.3仿真结果分析

通过以上仿真可知，海缆在超负荷较低的情况下，海底段应急时间（即海缆铜导体温度达到90℃所需时间）要大于陆地段海缆的应急时间，随着超负荷情况的加剧，海底段与陆地段的应急时间越来越短，且两者逐渐接近。这是因为尽管海底段散热要好于陆地段海缆，但随着超负荷值的增大，电流增大产生的热量远大于散热量，因此两者温度变化情况相似，应急时间近似相同。

倘若海缆超负荷值较低，在应急时间内及时降低负荷，则不会对海缆造成危害；若降低负荷时间在陆地段与海底段应急时间之间，则陆地段即使有损伤，此时海底段电缆仍可正常使用。随着超负荷值越来越大，若不及时降低负荷，将对整条海缆造成严重伤害。

以上图7所示的超负荷运行的光纤复合海底电缆温度特性分析方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。