[发明专利]多根交联聚乙烯绝缘电缆共沟时温度场有限元计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电缆技术领域，具体涉及一种多根交联聚乙烯绝缘电缆共沟时温度场有限元计算方法。

背景技术

随着电力电缆在输配电线路中的广泛应用，社会对输电可靠性的要求不断提高。在现代城市输配电网中，大量使用交联聚乙烯电力电缆。其中电缆沟敷设方式具有可靠性高、投资省、占地少、走向灵活且能容纳较多电缆、增加电缆回路数、无需工井、电缆进出方便等优点，被广泛应用于城市输配网中，且电缆沟内电缆集群敷设的情况非常常见。为保证电缆安全稳定运行，对电缆沟敷设方式下的温度场计算显得特别有意义。

目前，国内外关于电缆稳态载流量的计算主要有以下两类：

(1)IEC 60287电缆载流量计算系列标准

IEC 60287标准是目前电缆线路载流能力确定上最重要和最基本的标准，在电缆线路设计和运行中使用最为广泛。但在实际应用中，该标准存在着一些问题。现有的IEC60287仅对具有通用性和代表性的均匀简单情况下的载流量进行计算，计算结果偏保守，原因在于计算结果是按照该电缆线路对应的最严酷运行条件下进行计算的。该标准模型简单，针对一些较为特殊但却普遍的电缆运行情况下的载流量未能给出计算方式，并不能全部覆盖电缆的各种条件下散热模型与算法。该标准根据实际情况某些参数的取值未作规定，如与电缆结构材料有关的参数(例如绝缘材料的热阻系数)，只给出代表性数值；与环境条件有关的参数，其值可能变化范围很大，取决于电缆敷设现场的条件和状况；来自于制造厂和用户之间协商的参数，包括安全裕度和运行状况(例如最高导体温度)。这些参数有的与电缆所用材料有关，尤其是新材料的热阻系数需要通过测试求得。

(2)数值计算法

现有的IEC标准推荐的方法所采用的模型过于简化，不能涵盖许多实际的运行工况。地下电缆系统造价昂贵，所以越来越要求人们建立更为精确的模型。若利用实验研究方法研究问题，实测不同的工况下温度场的分布，需要花费大量的人力、物力。而采用数值计算方法可以模拟多种不同条件下、不同工况下电缆温度分布，对实际的工程应用有重要的指导意义。数值计算方法中主要包括有限差分法、有限元法、有限容积法、边界元法等。有限差分法具有一个主要的缺点：对复杂区域的适应性较差以及数值解的守恒性难以保证。有限容积法适于流体计算，可以应用于不规则网格，适于并行。但是在精度上与有限差分法和有限元法存在差距。当处理一个具有多层土壤的实际电缆沟问题或具有多根电缆铺设问题时，边界元法的边界太多太复杂，计算量很大。有限元法优点在于对复杂区域的适应性，对于分析复杂电缆群的温度场和计算载流量而言显得尤为突出。目前，可以利用各种商业的有限元软件来自动划分网格，大大增加了有限元的易用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种多根交联聚乙烯绝缘电缆共沟时温度场有限元计算方法，本发明利用COMSOL Multiphysics工具，对电缆沟敷设方式下电缆群温度场进行仿真计算，具有计算速度快、精度高等优点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

多根交联聚乙烯绝缘电缆共沟时温度场有限元计算方法，包括：

步骤1，基于IEC 60287标准计算交联聚乙烯绝缘电缆的相关参数，所述的相关参数包括含单位长度电缆导体最高工作温度下的交流电阻、单位长度电缆导体的发热率、单位长度电缆绝缘介质的发热率、以及电缆铠装层的热损耗率；

步骤2，根据实际交联聚乙烯绝缘电缆的结构和尺寸参数，利用仿真工具COMSOLMultiphysics构建电缆模型；

步骤3，根据交联聚乙烯绝缘电缆的现场敷设情况以及交联聚乙烯绝缘电缆的尺寸参数，利用仿真工具COMSOL Multiphysics构建多根交联聚乙烯绝缘电缆的共沟模型和电缆沟温度场计算模型，该共沟模型包括土壤、电缆沟、空气和交联聚乙烯绝缘电缆；

步骤4，根据步骤1计算的相关参数，获得单位长度单位面积导线芯发热损耗、绝缘介质发热损耗和铠装层发热损耗，并利用仿真工具COMSOL Multiphysics同时加载到电缆沟温度场计算模型中的聚乙烯绝缘电缆上，作为聚乙烯绝缘电缆的热源进行温度场分析，进行聚乙烯绝缘电缆温度场的计算。

步骤3进一步包括：