[发明专利]一种电力电缆磁-热耦合场的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电缆领域，具体涉及一种基于ANSYS的电力电缆磁-热耦合场的计算方法。

背景技术

电力电缆在运行中必然会产生损耗，从而引起发热，电缆温度升高，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温导致绝缘老化加速，电缆寿命缩短，甚至电缆立刻破坏。且影响电缆温度场的因素复杂多变，电缆的载流量也很难准确地确定。

近年来，光纤传感测温技术的成熟，使其成为电力设备温度在线监测的重要测量手段。其在电缆上的应用，如果仅仅是监测线芯与表皮的温度，无法体现光纤分布式测温的实际价值。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温度测量监测技术提供有用信息，若能在线监测出这些信息，一旦绝缘发生故障，局部电缆温升是极高的，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温度分布畸变，准确分析这种畸变的温度分布，对基于分布式光纤测温的电缆绝缘故障在线监测技术具有重要的研究意义。

电缆制造企业和电力运行部门对电缆的损耗与温升备受关注。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、温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门。采用数学的分析手段研究电力电缆的损耗与温升，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

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电力电缆磁-热耦合场的计算方法，该方法对电力电缆进行磁-热耦合场的计算，再将每个场按希望的顺序逐个分析，耦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，对处理电缆损耗与温升的这类磁-热耦合问题非常适用。

本发明所采用的技术方案是：一种电力电缆磁-热耦合场的计算方法，包括：

S1)建立电力电缆电磁场和温度场物理模型；

S2)建立电力电缆物理仿真模型，明确计算参数和边界条件；

S3)对电力电缆测量得到相应计算参数；

S4)根据电磁场和温度场物理仿真模型以及相应的计算参数，对电力电缆的电磁场和温度场进行求解；

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-热耦合分析；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。

所述的计算方法，步骤S1建立物理模型的方法包括：

当电力电缆在工频条件下正常运行时，磁-热耦合场的计算需进行如下假设：

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温度场分布，进行二维平面计算；

2)忽略空间电荷以及位移电流的影响；

3)电缆及土壤材料的磁导率都是线性的；

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、土壤；

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：

电缆导体区域，

▽²A₁＝-μ₀J_s

上式中，J_s是导体区域的电流密度，A₁表示导体层的矢量磁位，μ0表示真空磁导率；

电缆绝缘层区域，

▽²A₂＝0

上式中，A₂表示绝缘层矢量磁位；

电缆金属套区域，

▽²A₃＝-μ₀J_e

上式中，J_e表示金属套涡电流密度，A₃表示绝缘层和金属套矢量磁位；

电缆外护套区域，

▽²A₄＝0

上式中，A₄表示外护套矢量磁位；

土壤区域，

▽²A₅＝0

上式中，A₅表示土壤区域的矢量磁位；

此外，电缆各层以及土壤的边界上面的连续方程为：