基于ansys的交联聚乙烯绝缘电缆温度场有限元计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电缆技术领域，尤其涉及一种基于ANSYS的交联聚乙烯绝缘电缆 温度场有限元计算方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电缆在输配电线路中的广泛应用，准确确定电力电缆及其周围环境温 度场的分布和电缆的载流量对于提高电力电缆的使用率和电力电缆的动态调整负荷具有 重要的意义。
[0003] 非线性负载在工业和商业电力系统的电力负载中所占比例越来越大，非线性负 载使电网中的电流和电压的正弦波形发生畸变，从而产生大量谐波。电力公司为改善功率 因数而大量使用电容器组，工业界为提高系统的可靠性和效率广泛使用电力电子变流器， 这些设备与功率因数校正电容器组相互作用导致产生电压波形和电流波形畸变的放大效 应。同样，在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。谐波注入电网后 会使无功功率加大，功率因数降低，甚至有可能引发并联谐振或串联谐振，损坏电气设备以 及干扰通信线路的正常工作。
[0004] 谐波电流在电网中的流动会在线路上产生附加的有功功率损耗，从而降低输电 线路的载流量。一般谐波电流与基波电流相比较所占比例不大，但谐波频率高，导线的 集肤效应、邻近效应使谐波电阻比基波电阻大，因此谐波引起的附加线路电阻损耗不容忽 略。对于采用电力电缆的输电系统，由于绝缘介质存在分布电容，还会产生附加的绝缘介 质损耗。其中绝缘介质损耗决定于绝缘材质、厚度和电压。带有屏蔽层的电缆也会因为高 频谐波的存在，在其周围产生工频电磁场，电缆内部的金属屏蔽层将产生涡流损耗。这些 都是造成电缆及其周围环境温度升高、从而限制其载流量的重要原因。
[0005] 在八十年代以前，通常采用镜像的方法计算地下电缆的温度场。随着数值传热学 的发展，最近二十年来，采用数值计算方法对地下电缆温度场进行模拟计算得到越来越多 的应用。在数值计算方法中以有限差分法、有限元法、有限容积法、边界元法居多。计算介 质损耗、涡流损耗的方法有解析法和数值计算方法。解析法对比较简单的情况可以在满足 精度的基础上加快计算速度，但是对于比较复杂的电缆群，同时计算趋肤效应、邻近效应、 涡流损耗时，解析法存在方程组过于庞大和求解困难的缺点。常见的有限差分法和边界元 法等数值计算方法也有不足，具体的说运用有限差分法分析适合于敷设区域形状简单的情 况，对比较复杂的区域则误差较大。而运用边界元法分析时，当处理具有多根电缆铺设问题 或一个具有多层土壤的实际电缆沟问题时，边界元法的边界太多太复杂，计算量很大。目 前，交联聚乙烯绝缘电缆已经广泛应用于电力系统各个电压等级的输电线路和配网中，并 占据极大的份额。因此，选用合适的方法对交联聚乙烯绝缘电缆温度场进行模拟计算具有 较大的应用价值。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于ANSYS的交联聚乙烯绝缘电缆温度场有限元计算 方法，对交联聚乙烯绝缘电缆温度场进行模拟计算，具有操作简单、计算速度快、精度高等 优点，能比较准确计算交联聚乙烯绝缘电缆导体的温度场，进而发掘电缆载流量能力的潜 能，不仅能节约电缆的投资，还能提高电缆的利用率和运行水平。
[0007] 本发明采用的技术方案为：
[0008] 基于ANSYS的交联聚乙烯绝缘电缆温度场有限元计算方法，依次包括以下步骤：
[0009] A:以交联聚乙烯绝缘电缆为研宄对象，基于仿真软件ANSYS进行参数化几何建 模，模型包括导线芯、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、填充层、内护套、铠装 层和外护套；
[0010] B:对交联聚乙烯绝缘电缆施加电流激励，对交联聚乙烯绝缘电缆进行磁场分析， 按单元导出导线芯产生的焦耳热损耗、金属屏蔽层产生的涡流损耗和铠装层产生的涡流损 耗；
[0011] c:对交联聚乙烯绝缘电缆施加电压激励，对交联聚乙烯绝缘电缆进行电场分析， 按单元导出由绝缘层产生的介质损耗；
[0012] D:将步骤B和步骤C中导线芯产生的焦耳热损耗，金属屏蔽层和铠装层分别产生 的涡流损耗以及绝缘层产生的介质损耗同时加载到交联聚乙烯绝缘电缆上作为交联聚乙 烯绝缘电缆的热源来进行温度场分析，进行交联聚乙烯绝缘电缆温度场的计算。
[0013] 步骤A包括以下步骤：
[0014]A1 :选择交联聚乙烯绝缘电缆的上下侧铺以砂层，紧邻砂层外侧是保护板，上下保 护板间距不小于300mm，保护板宽度超过电缆两侧不小于200mm，土壤上边界距离保护板上 边界不小于〇. 8m，下边界取距离下保护板不小于2m的土壤，左右边界分别取距离最近交联 聚乙烯绝缘电缆表面净距侧不小于2m的土壤，边界范围内的直埋敷设区域和交联聚乙烯 绝缘电缆本体一起构成交联聚乙烯绝缘电缆直埋敷设的整体区域；
[0015] A2:将交联聚乙烯绝缘电缆部分用两条相互垂直的直径把圆分为四部分，然后把 圆周和径向线段分别进行分段，再采用映射剖分的方法进行剖分，交联聚乙烯绝缘电缆的 三相剖分方法相同，填充层、内护套、铠装层和外护套通过控制线段长度自由剖分，电缆周 围的部分通过控制单元大小和线段分段数自由剖分。
[0016] 所述的步骤D包括以下步骤：
[0017] D1 :将步骤A所建的模型简化为二维模型，取最下层土壤为物体边界温度已知的 第一类边界条件，取左右边界土壤为物体边界上法向热流密度已知的第二类边界条件，取 地面土壤为与土壤相接触的空气温度和对流换热系数均为已知第三类边界条件；
[0018] D2,将电场单元清零，选用热场单元，并对单元材料属性重新赋值，将B中由磁场 分析部分按单元导出的焦耳热损耗、涡流损耗以及C中由电场分析部分按单元导出的介质 损耗同时导入到温度场模型中作为交联聚乙烯绝缘电缆的热源；
[0019] D3,进行交联聚乙烯绝缘电缆温度场的计算，分别得到交联聚乙烯绝缘电缆直埋 敷设整体区域、交联聚乙烯绝缘电缆本体和交联聚乙烯绝缘电缆绝缘层温度分布云图。
[0020] 所述的下边界土壤温度为25 °C。
[0021] 所述的左右边界土壤的法向热流密度为0。
[0022] 所述的地面土壤取空气自然对流换热边界条件。
[0023] 本发明是基于仿真软件ANSYS利用有限元法对交联聚乙烯绝缘电缆温度场进行 模拟计算，有限元法具有任意布置的网格和节点，对复杂区域和边界问题的求解有极大的 灵活性和适应性，能比较准确计算交联聚乙烯绝缘电缆导体的温度场，进而发掘电缆载流 量能力的潜能，不仅能节约电缆的投资，还能提高电缆的利用率和运行水平。本发明具有操 作简单，速度快，精确度高等优点。
[0024] 本发明基于有限元法，利用ANSYS软件将交联聚乙烯绝缘电缆内部各层进行映射 剖分，所剖分单元形状规则，对电缆内部的温度计算较为精确。
[0025] 本发明适用于土壤直埋敷设、电缆沟敷设、穿管敷设等多种敷设方式下谐波对复 杂的电缆群的温度场研宄。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的流程图；
[0027] 图2为交联聚乙烯绝缘电缆模型的结构示意图；
[0028] 图3为交联聚乙烯绝缘电缆本体剖分图；
[0029] 图4为交联聚乙烯绝缘电缆本体部分A相剖分图；
[0030] 图5为交联聚乙烯绝缘电缆直埋敷设整体区域温度分布云图放大图；
[0031] 图6为交联聚乙烯绝缘电缆本体温度分布云图；
[0032] 图7为交联聚乙烯绝缘电缆绝缘层温度分布云图；
[0033] 图8为介质损耗随频率变化曲线图；
[0034] 图9为涡流损耗随金属屏蔽层相对磁导率变化曲线图；
[0035] 图10为介质损耗随介质损耗因数变化曲线图；
[0036] 图11为焦耳热损耗和涡流损耗随电流大小变化曲线图。
【具体实施方式】
[0037] 如图1所示，本发明基于ANSYS的交联聚乙烯绝缘电缆温度场有限元计算方法，依 次包括以下步骤：
[0038] A，以10kV型号为YJLV22-10-3*300的交联聚乙烯绝缘电缆为研宄对象，基于仿真 软件ANSYS进行参数化几何建模，模型包括导线芯1、导体屏蔽层2、绝缘层3、绝缘屏蔽层 4、金属屏蔽层5、填充层6、内护套7、铠装层8和外护套9，YJLV22-10-3*300交联聚乙烯绝 缘电缆的技术参数如表一所示；交联聚乙烯绝缘电缆模型结构示意图如图2所示，建模具 体包括以下步骤：
[0039] A1 :根据国标GB50217-94电力工程电缆设计规范和DL/T5221-2005城市电力电 缆线路设计技术规定，考虑交联聚乙烯绝缘电缆土壤直埋敷设时候的情况，选择交联聚乙 烯绝缘电缆的上下侧铺以砂层，紧邻砂层外侧是保护板，上下保护板间距不小于300mm，保 护板宽度超过电缆两侧不小于200mm，土壤上边界距离保护板上边界不小于