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基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法.pdf

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基于 ANSYS 交聯 聚乙烯 絕緣 電纜 溫度場 有限元 計算方法
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摘要
申請專利號:

CN201510314013.0

申請日:

2015.06.10

公開號:

CN104899379A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150610|||公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 國網河南省電力公司電力科學研究院; 武漢大學; 國家電網公司
發明人: 劉書銘; 王振東; 杜志葉; 代雙寅; 李瓊林; 趙通; 張琪; 楊知非
地址: 450052河南省鄭州市二七區嵩山南路85號
優先權:
專利代理機構: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙)41104 代理人: 劉建芳
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510314013.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.07.10|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,依次包括以下步驟:首先,以交聯聚乙烯絕緣電纜為研究對象,基于仿真軟件ANSYS進行參數化幾何建模;其次,對交聯聚乙烯絕緣電纜施加電流激勵進行磁場分析:再次,對交聯聚乙烯絕緣電纜施加電壓激勵進行電場分析;將磁場分析和電場分析得到的焦耳熱損耗、渦流損耗和介質損耗同時加載到交聯聚乙烯絕緣電纜上作為熱源進行溫度場分析,進行交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場的計算。本發明對復雜區域和邊界問題的求解有極大的靈活性和適應性,能比較準確計算交聯聚乙烯絕緣電纜導體的溫度場,進而發掘電纜載流量能力的潛能,不僅能節約電纜的投資,還能提高電纜的利用率和運行水平。

權利要求書

權利要求書
1.  基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,其特征在于,依次包括以下步驟:
A:以交聯聚乙烯絕緣電纜為研究對象,基于仿真軟件ANSYS進行參數化幾何建模,模型包括導線芯、導體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層、金屬屏蔽層、填充層、內護套、鎧裝層和外護套;
B:對交聯聚乙烯絕緣電纜施加電流激勵,對交聯聚乙烯絕緣電纜進行磁場分析,按單元導出導線芯產生的焦耳熱損耗、金屬屏蔽層產生的渦流損耗和鎧裝層產生的渦流損耗;
C:對交聯聚乙烯絕緣電纜施加電壓激勵,對交聯聚乙烯絕緣電纜進行電場分析,按單元導出由絕緣層產生的介質損耗;
D:將步驟B和步驟C中導線芯產生的焦耳熱損耗,金屬屏蔽層和鎧裝層分別產生的渦流損耗以及絕緣層產生的介質損耗同時加載到交聯聚乙烯絕緣電纜上作為交聯聚乙烯絕緣電纜的熱源來進行溫度場分析,進行交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場的計算。

2.  根據權利要求1所述的基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,其特征在于,步驟A包括以下步驟:
A1:選擇交聯聚乙烯絕緣電纜的上下側鋪以砂層,緊鄰砂層外側是保護板,上下保護板間距不小于300mm,保護板寬度超過電纜兩側不小于200mm,土壤上邊界距離保護板上邊界不小于0.8m,下邊界取距離下保護板不小于2m的土壤,左右邊界分別取距離最近交聯聚乙烯絕緣電纜表面凈距側不小于2m的土壤,邊界范圍內的直埋敷設區域和交聯聚乙烯絕緣電纜本體一起構成交聯聚乙烯絕緣電纜直埋敷設的整體區域;
A2:將交聯聚乙烯絕緣電纜部分用兩條相互垂直的直徑把圓分為四部分,然后把圓周和徑向線段分別進行分段,再采用映射剖分的方法進行剖分,交聯聚乙烯絕緣電纜的三相剖分方法相同,填充層、內護套、鎧裝層和外護套通過控制線段長度自由剖分,電纜周圍的部分通過控制單元大小和線段分段數自由剖分。

3.  根據權利要求1所述的基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,其特征在于,所述的步驟D包括以下步驟:
D1:將步驟A所建的模型簡化為二維模型,取最下層土壤為物體邊界溫度已知的第一類邊界條件,取左右邊界土壤為物體邊界上法向熱流密度已知的第二類邊界條件,取地面土壤為與土壤相接觸的空氣的溫度和對流換熱系數均為已知第三類邊界條件; 
D2,將電場單元清零,選用熱場單元,并對單元材料屬性重新賦值,將B中由磁場分析部分按單元導出的焦耳熱損耗、渦流損耗以及C中由電場分析部分按單元導出的介質損耗同時導入到溫度場模型中作為交聯聚乙烯絕緣電纜的熱源;
D3,進行交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場的計算,分別得到交聯聚乙烯絕緣電纜直埋敷設整體區域、交聯聚乙烯絕緣電纜本體和交聯聚乙烯絕緣電纜絕緣層溫度分布云圖。

4.  根據權利要求3所述的基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,其特征在于:所述的下邊界土壤溫度為25℃。

5.  根據權利要求3所述的基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,其特征在于:所述的左右邊界土壤的法向熱流密度為0。

6.  根據權利要求3所述的基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,其特征在于:所述的地面土壤取空氣自然對流換熱邊界條件。

說明書

說明書基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法
技術領域
本發明涉及電力電纜技術領域,尤其涉及一種基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法。
背景技術
隨著電力電纜在輸配電線路中的廣泛應用,準確確定電力電纜及其周圍環境溫度場的分布和電纜的載流量對于提高電力電纜的使用率和電力電纜的動態調整負荷具有重要的意義。
非線性負載在工業和商業電力系統的電力負載中所占比例越來越大,非線性負載使電網中的電流和電壓的正弦波形發生畸變,從而產生大量諧波。電力公司為改善功率因數而大量使用電容器組,工業界為提高系統的可靠性和效率廣泛使用電力電子變流器,這些設備與功率因數校正電容器組相互作用導致產生電壓波形和電流波形畸變的放大效應。同樣,在電力的生產、傳輸、轉換和使用的各個環節中都會產生諧波。諧波注入電網后會使無功功率加大,功率因數降低,甚至有可能引發并聯諧振或串聯諧振,損壞電氣設備以及干擾通信線路的正常工作。
諧波電流在電網中的流動會在線路上產生附加的有功功率損耗,從而降低輸電線路的載流量。一般諧波電流與基波電流相比較所占比例不大,但諧波頻率高,導線的集膚效應、鄰近效應使諧波電阻比基波電阻大,因此諧波引起的附加線路電阻損耗不容忽略。對于采用電力電纜的輸電系統,由于絕緣介質存在分布電容,還會產生附加的絕緣介質損耗。其中絕緣介質損耗決定于絕緣材質、厚度和電壓。帶有屏蔽層的電纜也會因為高頻諧波的存在,在其周圍產生工頻電磁場,電纜內部的金屬屏蔽層將產生渦流損耗。這些都是造成電纜及其周圍環境溫度升高、從而限制其載流量的重要原因。
在八十年代以前,通常采用鏡像的方法計算地下電纜的溫度場。隨著數值傳熱學的發展,最近二十年來,采用數值計算方法對地下電纜溫度場進行模擬計算得到越來越多的應用。在數值計算方法中以有限差分法、有限元法、有限容積法、邊界元法居多。計算介質損耗、渦流損耗的方法有解析法和數值計算方法。解析 法對比較簡單的情況可以在滿足精度的基礎上加快計算速度,但是對于比較復雜的電纜群,同時計算趨膚效應、鄰近效應、渦流損耗時,解析法存在方程組過于龐大和求解困難的缺點。常見的有限差分法和邊界元法等數值計算方法也有不足,具體的說運用有限差分法分析適合于敷設區域形狀簡單的情況,對比較復雜的區域則誤差較大。而運用邊界元法分析時,當處理具有多根電纜鋪設問題或一個具有多層土壤的實際電纜溝問題時,邊界元法的邊界太多太復雜,計算量很大。目前,交聯聚乙烯絕緣電纜已經廣泛應用于電力系統各個電壓等級的輸電線路和配網中,并占據極大的份額。因此,選用合適的方法對交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場進行模擬計算具有較大的應用價值。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,對交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場進行模擬計算,具有操作簡單、計算速度快、精度高等優點,能比較準確計算交聯聚乙烯絕緣電纜導體的溫度場,進而發掘電纜載流量能力的潛能,不僅能節約電纜的投資,還能提高電纜的利用率和運行水平。
本發明采用的技術方案為:
基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,依次包括以下步驟:
A:以交聯聚乙烯絕緣電纜為研究對象,基于仿真軟件ANSYS進行參數化幾何建模,模型包括導線芯、導體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層、金屬屏蔽層、填充層、內護套、鎧裝層和外護套;
B:對交聯聚乙烯絕緣電纜施加電流激勵,對交聯聚乙烯絕緣電纜進行磁場分析,按單元導出導線芯產生的焦耳熱損耗、金屬屏蔽層產生的渦流損耗和鎧裝層產生的渦流損耗;
C:對交聯聚乙烯絕緣電纜施加電壓激勵,對交聯聚乙烯絕緣電纜進行電場分析,按單元導出由絕緣層產生的介質損耗;
D:將步驟B和步驟C中導線芯產生的焦耳熱損耗,金屬屏蔽層和鎧裝層分別產生的渦流損耗以及絕緣層產生的介質損耗同時加載到交聯聚乙烯絕緣電纜上作為交聯聚乙烯絕緣電纜的熱源來進行溫度場分析,進行交聯聚乙烯絕緣電纜 溫度場的計算。
步驟A包括以下步驟:
A1:選擇交聯聚乙烯絕緣電纜的上下側鋪以砂層,緊鄰砂層外側是保護板,上下保護板間距不小于300mm,保護板寬度超過電纜兩側不小于200mm,土壤上邊界距離保護板上邊界不小于0.8m,下邊界取距離下保護板不小于2m的土壤,左右邊界分別取距離最近交聯聚乙烯絕緣電纜表面凈距側不小于2m的土壤,邊界范圍內的直埋敷設區域和交聯聚乙烯絕緣電纜本體一起構成交聯聚乙烯絕緣電纜直埋敷設的整體區域;
A2:將交聯聚乙烯絕緣電纜部分用兩條相互垂直的直徑把圓分為四部分,然后把圓周和徑向線段分別進行分段,再采用映射剖分的方法進行剖分,交聯聚乙烯絕緣電纜的三相剖分方法相同,填充層、內護套、鎧裝層和外護套通過控制線段長度自由剖分,電纜周圍的部分通過控制單元大小和線段分段數自由剖分。
所述的步驟D包括以下步驟:
D1:將步驟A所建的模型簡化為二維模型,取最下層土壤為物體邊界溫度已知的第一類邊界條件,取左右邊界土壤為物體邊界上法向熱流密度已知的第二類邊界條件,取地面土壤為與土壤相接觸的空氣溫度和對流換熱系數均為已知第三類邊界條件;
D2,將電場單元清零,選用熱場單元,并對單元材料屬性重新賦值,將B中由磁場分析部分按單元導出的焦耳熱損耗、渦流損耗以及C中由電場分析部分按單元導出的介質損耗同時導入到溫度場模型中作為交聯聚乙烯絕緣電纜的熱源;
D3,進行交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場的計算,分別得到交聯聚乙烯絕緣電纜直埋敷設整體區域、交聯聚乙烯絕緣電纜本體和交聯聚乙烯絕緣電纜絕緣層溫度分布云圖。
所述的下邊界土壤溫度為25℃。
所述的左右邊界土壤的法向熱流密度為0。
所述的地面土壤取空氣自然對流換熱邊界條件。
本發明是基于仿真軟件ANSYS利用有限元法對交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場進行模擬計算,有限元法具有任意布置的網格和節點,對復雜區域和邊界問題的 求解有極大的靈活性和適應性,能比較準確計算交聯聚乙烯絕緣電纜導體的溫度場,進而發掘電纜載流量能力的潛能,不僅能節約電纜的投資,還能提高電纜的利用率和運行水平。本發明具有操作簡單,速度快,精確度高等優點。
本發明基于有限元法,利用ANSYS軟件將交聯聚乙烯絕緣電纜內部各層進行映射剖分,所剖分單元形狀規則,對電纜內部的溫度計算較為精確。
本發明適用于土壤直埋敷設、電纜溝敷設、穿管敷設等多種敷設方式下諧波對復雜的電纜群的溫度場研究。
附圖說明
圖1為本發明的流程圖;
圖2為交聯聚乙烯絕緣電纜模型的結構示意圖;
圖3為交聯聚乙烯絕緣電纜本體剖分圖;
圖4為交聯聚乙烯絕緣電纜本體部分A相剖分圖;
圖5為交聯聚乙烯絕緣電纜直埋敷設整體區域溫度分布云圖放大圖;
圖6為交聯聚乙烯絕緣電纜本體溫度分布云圖;
圖7為交聯聚乙烯絕緣電纜絕緣層溫度分布云圖;
圖8為介質損耗隨頻率變化曲線圖;
圖9為渦流損耗隨金屬屏蔽層相對磁導率變化曲線圖;
圖10為介質損耗隨介質損耗因數變化曲線圖;
圖11為焦耳熱損耗和渦流損耗隨電流大小變化曲線圖。
具體實施方式
如圖1所示,本發明基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法,依次包括以下步驟:
A,以10kV型號為YJLV22-10-3*300的交聯聚乙烯絕緣電纜為研究對象,基于仿真軟件ANSYS進行參數化幾何建模,模型包括導線芯1、導體屏蔽層2、絕緣層3、絕緣屏蔽層4、金屬屏蔽層5、填充層6、內護套7、鎧裝層8和外護套9,YJLV22-10-3*300交聯聚乙烯絕緣電纜的技術參數如表一所示;交聯聚乙烯絕緣電纜模型結構示意圖如圖2所示,建模具體包括以下步驟:
A1:根據國標GB50217-94電力工程電纜設計規范和DL/T 5221-2005城市電力電纜線路設計技術規定,考慮交聯聚乙烯絕緣電纜土壤直埋敷設時候的情況, 選擇交聯聚乙烯絕緣電纜的上下側鋪以砂層,緊鄰砂層外側是保護板,上下保護板間距不小于300mm,保護板寬度超過電纜兩側不小于200mm,土壤上邊界距離保護板上邊界不小于0.8m,結合相關文獻可知:溫度僅在電纜附近變化較為劇烈,當遠離電纜時,土壤溫度將與環境溫度相同。通常距離電纜2m的土壤已不受電纜的影響。因此下邊界取距離下保護板不小于2m的土壤,左右邊界分別取距離最近交聯聚乙烯絕緣電纜表面凈距側不小于2m的土壤,邊界范圍內的直埋敷設區域和交聯聚乙烯絕緣電纜本體一起構成交聯聚乙烯絕緣電纜直埋敷設的整體區域。直埋敷設時周圍環境相關幾何參數如表二所示、直埋敷設時周圍環境相關物理參數如表三所示。
本發明實施例中選擇交聯聚乙烯絕緣電纜的上下側鋪以砂層,緊鄰砂層外側是保護板,上下保護板間距為300mm,保護板寬度超過電纜兩側為200mm,土壤上邊界距離保護板上邊界為0.8m,結合相關文獻可知:溫度僅在電纜附近變化較為劇烈,當遠離電纜時,土壤溫度將與環境溫度相同。通常距離電纜2m的土壤已不受電纜的影響。因此下邊界取距離下保護板2m的土壤,左右邊界分別取距離最近交聯聚乙烯絕緣電纜表面凈距側2m的土壤,用以建立模型。
A2:將交聯聚乙烯絕緣電纜部分用兩條相互垂直的直徑把圓分為四部分,然后把圓周和徑向線段分別進行分段,再采用映射剖分的方法進行剖分,交聯聚乙烯絕緣電纜的三相剖分方法相同,填充層6、內護套7、鎧裝層8和外護套9通過控制線段長度自由剖分,電纜周圍的部分通過控制單元大小和線段分段數自由剖分。
每相電纜部分均用兩條相互垂直的直徑把圓分為四部分,把圓周和徑線段分別進行分段,每個圓周平均分為4段,4段中每段都分為20小段,導線芯1所在的徑線段分為20段并控制space選項為0.6,導體屏蔽層2所在的徑線段平均分為5段,絕緣層3所在的徑線段平均分為10段,絕緣屏蔽層4所在的徑線段平均分為5段,金屬屏蔽層5所在的徑線段分為10段并控制space選項為0.3,劃分單元類型選擇四邊形,再采用映射剖分的方法進行剖分,交聯聚乙烯絕緣電纜中A相、B相和C相的剖分完全一樣。填充層6所在的外圍大圓周平均分為4段,每段平均分為20小段并控制space選項為free,劃分單元類型選擇三角形,然后采用自由剖分。內護套7、鎧裝層8和外護套9所在圓周均平均分為4段, 每段均平均分為10小段,劃分單元類型選擇三角形,然后進行自由剖分。電纜周圍的部分(砂層、保護板、土壤)通過控制單元大小和線段分段數采用自由剖分。整個模型總共得到20034個單元。交聯聚乙烯絕緣電纜從上、左下、右下編號依次為A相,B相,C相。其中,A相電纜總共剖分為3600個四邊形單元,單元編號依次為1-3600;B相電纜總共剖分為3600個四邊形單元,單元編號依次為3601-7200;C相電纜總共剖分為3600個四邊形單元,單元編號依次為7201-10800。鎧裝層8總共剖分80個三角形單元,單元編號依次為12033-12112。交聯聚乙烯絕緣電纜本體剖分圖如圖3所示,交聯聚乙烯絕緣電纜本體部分A相剖分圖如圖4所示。
表一 YJLV22-10-3*300交聯聚乙烯電纜技術參數

表二 直埋敷設時周圍環境相關幾何參數

表三 直埋敷設時周圍環境相關物理參數

B,對交聯聚乙烯絕緣電纜施加電流激勵,對交聯聚乙烯絕緣電纜進行磁場分析,按單元導出導線芯1產生的焦耳熱損耗、金屬屏蔽層5產生的渦流損耗和鎧裝層8產生的渦流損耗;
需要指出的是諧波情況下存在趨膚效應,交聯聚乙烯絕緣電纜中會有渦流,但是在工程實際中電纜的線芯是由很多股細導線絞成的,為了更接近工程實際在用仿真軟件ANSYS建模的過程中交聯聚乙烯絕緣電纜每相的導線芯1直接當成一根導體來處理,導線芯1中的電流基本是均勻分布的,因此在交聯聚乙烯絕緣電纜的分析中不考慮線芯的渦流效應,直接加載電流密度進行仿真。選用PLANE 53磁場單元,對金屬屏蔽層5部分和鎧裝層8部分材料屬性賦值時,設置53單元的Keyoption選項為1,即自由度為VOLT和AZ;其它部分(包括空氣)設置53單元的Keyoption選項為0,亦即自由度為AZ。加載部分首先需要分別耦合A相、B相和C相金屬屏蔽層5的電壓和鎧裝層8的電壓;然后加載磁通量邊界條件,即在最外層土壤的邊界上控制AZ=0;最后加載激勵,分別在A相、B相和C相的導線部分注入幅值為500A,相位依次相差120°的對稱三相電流,電流是按電流密度來加載的。在頻率為500HZ條件下,分別計算導線芯1產生的焦耳熱損耗以及金屬屏蔽層5和鎧裝層8分別產生的渦流損耗,可計算出由磁場部分總共產生的損耗為97.0703J,并按單元依次導出焦耳熱損耗和渦流損耗保存在文檔內。按單元依次導出焦耳熱損耗和渦流損耗如表四所示。表四中焦耳熱損耗和渦流損耗統稱為磁場損耗。ELEM、JH1、VOL和EDDYPOWE分別為單元編號、該單元單位體積產生的磁場損耗、該單元的體積和該單元產生的磁場損耗。JH1單位為J/m3,VOL單位為m3,EDDYPOWE單位為J。表四每行中JH1乘以VOL得到EDDYPOWE。
表四 按單元導出的焦耳熱損耗和渦流損耗

C,對交聯聚乙烯絕緣電纜施加電壓激勵,對交聯聚乙烯絕緣電纜進行電場分析,按單元導出由絕緣層3產生的介質損耗;
首先將磁場單元清零并刪除金屬屏蔽層5上耦合的節點和鎧裝層8上耦合的節點,選用PLANE 121電場單元,對單元材料屬性重新賦值;然后將A相、B相和C相的導體電位分別耦合并施加10kV對稱三相電位(對地電位有效值為8574V),將金屬屏蔽層5的電位也分別耦合并加載0V的電位,在頻率為500HZ條件下,計算由絕緣層3產生的介質損耗為5.59922J;最后按單元依次導出介質損耗產生的熱量并保存到文檔中。按單元依次導出的介質損耗如表五所示。表五中ELEM、JH2、VOL和DPOWER分別為單元編號、該單元單位體積產生的介質損耗、該單元的體積和該單元產生的介質損耗。JH2單位為J/m3,VOL單位為m3,DPOWER單位為J。表五每行中JH2乘以VOL得到DPOWER。
表五 按單元導出的介質損耗


D,將步驟B和步驟C中導線芯1產生的焦耳熱損耗,金屬屏蔽層5和鎧裝層8分別產生的渦流損耗以及絕緣層3產生的介質損耗同時加載到交聯聚乙烯絕緣電纜上作為交聯聚乙烯絕緣電纜的熱源來進行溫度場分析,進行交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場的計算。
熱學理論中傳熱包括:熱傳導、對流和輻射。熱傳導是物體上的溫度不均勻或有溫差時熱能移動的現象,是固體內的主要傳熱現象。對流是物體表面與相接觸的流體間有溫差時出現的傳熱現象。根據溫差的方向不同,熱能可以由固體表面傳到流體,反之亦然。流體的流動可以是因流體溫度不均勻造成密度差而產生的自然對流,也可以是由風扇等設備造成的強迫對流,也可以是上述兩種因素共同起作用,稱為共存對流。物體以電磁波形式傳送能量的方式稱為輻射。
仿真軟件ANSYS進行溫度場分析計算的基本原理是先將所處理的對象劃分成有限個單元(包含若干個節點),然后根據能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節點處的熱平衡方程,由此計算出各節點溫度,進一步求解出其他相關量。仿真軟件ANSYS中運用熱學理論分析主要有穩態熱分析和瞬態熱分析兩大類。本發明基于熱傳導和熱對流兩種傳熱方式運用穩態熱分析研究導線芯1產生的焦耳熱損耗、絕緣層3產生的介質損耗、金屬屏蔽層5和鎧裝層8分別產生的渦流損耗對輸電電纜溫升發熱影響。
穩態熱分析是指系統的溫度不隨時間而變化。具體來說,即為流入系統的熱量加上系統自身產生的熱量等于流出系統的熱量,則系統處于熱穩態。在穩態熱分析中任意節點的溫度不隨時間變化。在直角坐標系中,二維穩態導熱方程的表達式為:
??x(k?T?x)+??y(k?T?y)+S=0---(1)]]>
式中,k為材料的導熱系數,單位為W/(m·℃);S為內熱源;x和y表示二維坐標系的兩個坐標軸,T為任意節點的溫度。
為了使得建立的熱平衡方程組具有唯一解,需要附加一定的邊界條件,邊界條件主要包括以下三類:
第一類邊界條件指物體邊界上的溫度已知,如式(2)所示:
T|Γ=Tw        (2)
式中,Г為物體邊界,Tw為已知溫度值,T表示溫度,T|Γ為物體邊界的溫度。
第二類邊界條件指物體邊界上的法向熱流密度已知,如式(3)所示:
-k?T?n|Γ=q---(3)]]>
式中,k為材料的導熱系數,單位為W/(m·℃);q為已知熱流密度值,單位為W/㎡;T表示溫度;n表示土壤左右邊界的法向方向。
第三類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質的溫度Tf和對流換熱系數α均為已知,如式(4)所示:
-k?T?n|Γ=α(T-Tf)|Γ---(4)]]>
式中,α為對流換熱系數,單位為W/(㎡·℃);k為材料的導熱系數,單位為W/(m·℃);n表示土壤上邊界的法向方向。
步驟D具體包括以下步驟:
D1:由于交聯聚乙烯絕緣電纜的長度與它的半徑相比可以認為無限長,長度方向溫度幾乎不變化,因此將步驟A所建的模型簡化為二維模型。由二維穩態導熱方程的表達式(1)可知,穩態溫度只與材料的導熱系數有關。取最下層土壤為物體邊界溫度已知的第一類邊界條件,所述的下邊界土壤溫度為25℃;取左右邊界土壤為物體邊界上法向熱流密度已知的第二類邊界條件,所述的左右邊界土壤的法向熱流密度為0;取地面土壤為與土壤相接觸的空氣溫度和對流換熱系數均為已知第三類邊界條件,所述的地面土壤取空氣自然對流換熱邊界條件;
D2:將電場單元清零,選用熱場單元,并對單元材料屬性重新賦值。將B 中由磁場分析部分按單元導出的焦耳熱損耗、渦流損耗以及C中由電場分析部分按單元導出的介質損耗同時導入到溫度場模型中作為交聯聚乙烯絕緣電纜的熱源;按單元導出總的損耗并保存到文檔中,按單元導出總的損耗如表六所示。表六中焦耳熱損耗和渦流損耗統稱為磁場損耗。ELEM、JH1、VOL、EDDYPOWE、JH2和DPOWER分別為單元編號、該單元單位體積產生的磁場損耗、該單元體積、該單元產生的磁場損耗、該單元單位體積產生的介質損耗和該單元產生的介質損耗。JH1、JH2單位為J/m3,VOL單位為m3,EDDYPOWE、DPOWER單位為J。表六每行中JH1乘以VOL得到EDDYPOWE,JH2乘以VOL得到DPOWER。
表六 按單元導出的總的損耗

將電場單元清零后選用PLANE 77熱場單元,對單元材料屬性重新賦值。將B中由磁場部分按單元導出的渦流損耗和焦耳熱損耗以及C中由電場部分按單元導出的介質損耗同時導入到溫度場分析中作為交聯聚乙烯絕緣電纜的熱源。導線芯1、導體屏蔽層2、絕緣層3、絕緣屏蔽層4、金屬屏蔽層5、填充層6、內護套7、鎧裝層8和外護套9這九個部分對應的單元編號為分別為1-12112。
D3:進行交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場的計算,分別得到交聯聚乙烯絕緣電纜直埋敷設整體區域、交聯聚乙烯絕緣電纜本體和交聯聚乙烯絕緣電纜絕緣層3的溫度分布云圖。交聯聚乙烯絕緣電纜直埋敷設整體區域溫度分布云圖如圖5所示,交聯聚乙烯絕緣電纜本體溫度分布云圖如圖6所示,交聯聚乙烯絕緣電纜絕緣層3的溫度分布云圖如圖7所示。
如圖5、6和7所示,交聯聚乙烯絕緣電纜本體及交聯聚乙烯絕緣電纜周圍的砂層、保護板、離電纜本體比較近的土壤溫度較高,B相電纜溫度最高,溫度達到92.4372℃,A相和C相電纜次之。A相、B相和C相電纜導線芯1的溫度十分接近。三個導線芯1是各相電纜橫截面的最高溫區域。在交聯聚乙烯絕緣電纜本體內部來看,各層結構中絕緣層3部分溫度變化梯度最大,與實際情況吻合。因為導線芯1和金屬屏蔽層5的導熱系數均遠遠大于電纜其它部分,所以導線芯1和金屬屏蔽層5的熱阻較小,溫度變化梯度也較小。雖然導體屏蔽層2、絕緣屏蔽層4和絕緣層3的導熱系數相同且較小,但是絕緣層3的厚度遠遠大于導體屏蔽層2和絕緣屏蔽層4的厚度,因此,絕緣層3熱阻遠遠大于導體屏蔽層2的熱阻和絕緣屏蔽層4的熱阻,絕緣層3溫度變化梯度最大。交聯聚乙烯絕緣電纜本體之外的部分(如砂層、保護板和土壤)的溫度變化呈非均勻分布,離電纜越遠溫度變化梯度越小。
如圖8、9、10和11所示,考慮電流,頻率,金屬屏蔽層5的相對磁導率,介質損耗因數的變化對焦耳熱損耗、渦流損耗和介質損耗的影響。圖9、10和11均采用控制變量法,每次只改變一個因素來研究對另外一個因素的影響。頻率、金屬屏蔽層5的相對磁導率、介質損耗因數、導線芯1的電流大小均會影響到三相電纜的溫升。具體的說,導線芯1電流增大會引起導線芯1產生的焦耳熱損耗增大,同時也會引起交聯聚乙烯絕緣電纜金屬屏蔽層5和鎧裝層8分別產生的渦流損耗增大,同時對焦耳熱損耗的影響遠遠大于對渦流損耗的影響,因此對交聯聚乙烯絕緣電纜的溫升產生較大的影響。金屬屏蔽層5的相對磁導率增大會對渦流損耗產生較大影響,渦流損耗也隨之增大。絕緣層3的介質損耗因數增大會引起介質損耗增大。頻率增大時,介質損耗和渦流損耗均增大,對渦流損耗的影響遠遠大于對介質損耗的影響,因此,由電力系統諧波帶來的影響不容忽略,尤其是高次諧波對交聯聚乙烯絕緣電纜溫升的情況。

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本文標題:基于ANSYS的交聯聚乙烯絕緣電纜溫度場有限元計算方法.pdf
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