[發明專利]多根交聯聚乙烯絕緣電纜共溝時溫度場有限元計算方法

在審

• 申請號: 201710424311.4
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN107315860A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 田智;鮑玉川;王昕;夏湛然;李秋芳;周承科;程萌;姚星辰;李鵬;郭鵬;楊斌;孫長群;榮爽;王航;李明貞
• 申請（專利權）人: 國網湖北省電力公司武漢供電公司;武漢大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 胡艷

技術領域

本發明涉及電力電纜技術領域，具體涉及一種多根交聯聚乙烯絕緣電纜共溝時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，社會對輸電可靠性的要求不斷提高。在現代城市輸配電網中，大量使用交聯聚乙烯電力電纜。其中電纜溝敷設方式具有可靠性高、投資省、占地少、走向靈活且能容納較多電纜、增加電纜回路數、無需工井、電纜進出方便等優點，被廣泛應用于城市輸配網中，且電纜溝內電纜集群敷設的情況非常常見。為保證電纜安全穩定運行，對電纜溝敷設方式下的溫度場計算顯得特別有意義。

目前，國內外關于電纜穩態載流量的計算主要有以下兩類：

(1)IEC 60287電纜載流量計算系列標準

IEC 60287標準是目前電纜線路載流能力確定上最重要和最基本的標準，在電纜線路設計和運行中使用最為廣泛。但在實際應用中，該標準存在著一些問題。現有的IEC60287僅對具有通用性和代表性的均勻簡單情況下的載流量進行計算，計算結果偏保守，原因在于計算結果是按照該電纜線路對應的最嚴酷運行條件下進行計算的。該標準模型簡單，針對一些較為特殊但卻普遍的電纜運行情況下的載流量未能給出計算方式，并不能全部覆蓋電纜的各種條件下散熱模型與算法。該標準根據實際情況某些參數的取值未作規定，如與電纜結構材料有關的參數(例如絕緣材料的熱阻系數)，只給出代表性數值；與環境條件有關的參數，其值可能變化范圍很大，取決于電纜敷設現場的條件和狀況；來自于制造廠和用戶之間協商的參數，包括安全裕度和運行狀況(例如最高導體溫度)。這些參數有的與電纜所用材料有關，尤其是新材料的熱阻系數需要通過測試求得。

(2)數值計算法

現有的IEC標準推薦的方法所采用的模型過于簡化，不能涵蓋許多實際的運行工況。地下電纜系統造價昂貴，所以越來越要求人們建立更為精確的模型。若利用實驗研究方法研究問題，實測不同的工況下溫度場的分布，需要花費大量的人力、物力。而采用數值計算方法可以模擬多種不同條件下、不同工況下電纜溫度分布，對實際的工程應用有重要的指導意義。數值計算方法中主要包括有限差分法、有限元法、有限容積法、邊界元法等。有限差分法具有一個主要的缺點：對復雜區域的適應性較差以及數值解的守恒性難以保證。有限容積法適于流體計算，可以應用于不規則網格，適于并行。但是在精度上與有限差分法和有限元法存在差距。當處理一個具有多層土壤的實際電纜溝問題或具有多根電纜鋪設問題時，邊界元法的邊界太多太復雜，計算量很大。有限元法優點在于對復雜區域的適應性，對于分析復雜電纜群的溫度場和計算載流量而言顯得尤為突出。目前，可以利用各種商業的有限元軟件來自動劃分網格，大大增加了有限元的易用性。

發明內容

本發明的目的是提供一種多根交聯聚乙烯絕緣電纜共溝時溫度場有限元計算方法，本發明利用COMSOL Multiphysics工具，對電纜溝敷設方式下電纜群溫度場進行仿真計算，具有計算速度快、精度高等優點。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

多根交聯聚乙烯絕緣電纜共溝時溫度場有限元計算方法，包括：

步驟1，基于IEC 60287標準計算交聯聚乙烯絕緣電纜的相關參數，所述的相關參數包括含單位長度電纜導體最高工作溫度下的交流電阻、單位長度電纜導體的發熱率、單位長度電纜絕緣介質的發熱率、以及電纜鎧裝層的熱損耗率；

步驟2，根據實際交聯聚乙烯絕緣電纜的結構和尺寸參數，利用仿真工具COMSOLMultiphysics構建電纜模型；

步驟3，根據交聯聚乙烯絕緣電纜的現場敷設情況以及交聯聚乙烯絕緣電纜的尺寸參數，利用仿真工具COMSOL Multiphysics構建多根交聯聚乙烯絕緣電纜的共溝模型和電纜溝溫度場計算模型，該共溝模型包括土壤、電纜溝、空氣和交聯聚乙烯絕緣電纜；

步驟4，根據步驟1計算的相關參數，獲得單位長度單位面積導線芯發熱損耗、絕緣介質發熱損耗和鎧裝層發熱損耗，并利用仿真工具COMSOL Multiphysics同時加載到電纜溝溫度場計算模型中的聚乙烯絕緣電纜上，作為聚乙烯絕緣電纜的熱源進行溫度場分析，進行聚乙烯絕緣電纜溫度場的計算。

步驟3進一步包括：