[發明專利]超負荷運行的光纖復合海底電纜溫度特性分析方法

在審

• 申請號: 201710632484.5
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107577841A
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 汪洋;胡文侃;周波達;林曉波;張健;李世強
• 申請（專利權）人: 國網浙江省電力公司舟山供電公司;國家電網公司;浙江舟山海洋輸電研究院有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 浙江翔隆專利事務所(普通合伙)33206
• 代理人: 王曉燕

技術領域

本發明涉及光纖復合海底電纜分析方法，尤其指超負荷運行的光纖復合海底電纜溫度特性分析方法。

背景技術

我國海岸線較長，島嶼眾多，海底電纜在遠程供電、高壓輸電和通信等方面發揮著非常重要的作用。近年來，交聯聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）三芯光纖復合海底電纜在海底配電網中得到了廣泛應用。然而，由于海底電纜造價昂貴、敷設及維修較為困難，海纜的增長速度遠不能跟上島嶼用電需求的增加，因此海底配電網中海纜超負荷運行時有發生。三芯海纜長期超負荷運行會加速交聯聚乙烯材料的老化，影響海纜的使用壽命，甚至導致三芯海纜絕緣熱擊穿，因此對海纜超負荷運行的研究十分必要。

目前，對海纜載流量計算方法較多，有熱路模型法、軟件計算法、有限元法等。針對海纜過負載的研究主要集中在單芯，隨著用電需求的增加及電纜廊道的減少，三芯海纜在海底配電網中應用越來越廣泛，但目前針對三芯光纖復合海底電纜超負荷的研究缺乏直觀有效的方法。

發明內容

本發明要解決的技術問題和提出的技術任務是對現有技術方案進行完善與改進，提供超負荷運行的光纖復合海底電纜溫度特性分析方法，以達到提高目的。為此，本發明采取以下技術方案。

超負荷運行的光纖復合海底電纜溫度特性分析方法，海纜包括導電線芯、光纖單元、鎧裝、外被層及設于鎧裝和導電線芯、光纖單元之間的填充物，所述的導電線芯由內至外依次為阻水銅導體、導體屏蔽層、XLPE絕緣層、絕緣屏蔽層、半導電阻水層、鉛合金護套、防腐層和PE護套；光纖復合海底電纜溫度特性分析方法特征在于包括以下步驟：

一）海纜的有限元建模：

1）幾何模型建立，在建模時，將導體屏蔽層、XLPE絕緣層和絕緣屏蔽層合并形成絕緣層，防腐層和PE護套合并形成內護套；在建立海纜模型時,用圓柱體代替海纜絞合結構；海纜深埋于海床土壤之中，設定海纜周圍海床的土壤層與海纜長度相同，海纜位于土壤層的中心，土壤層截面邊長設為海纜實際敷設深度的2倍；

2）單元類型和材料參數的設置，SOLID69單元用于銅導體和鉛合金護套中溫度場與電場的直接耦合運算，描述電流產生焦耳熱的過程； SOLID90熱實體單元對非銅導體層進行仿真分析，SOLID90熱實體單元擁有多個節點，每個節點只包含溫度自由度；輸入銅導體、絕緣層、半導電阻水層、鉛護套、內護套、填充層、鎧裝墊層、鎧裝層、外被層、土壤、光單元的材料參數；

3 ）有限元網格劃分，對填充物實現智能網格劃分，其他體則采用掃略網格劃分方式完成，并對海纜適當進行網格加密，提高計算精度；

4）邊界約束及載荷施加，模型下邊界的深層土壤層溫度設為恒定；海纜過負荷運行時軸向溫度基本一致，設模型左右邊界不存在法向熱流；產生的感應電壓和感應電流均為0；通過限制載流體電壓自由度，并對該截面的某一節點施加電流載荷完成超負荷運行仿真；

二）有限元仿真：

1）穩態仿真分析；

A）獲得銅導體最高允許工作溫度、土壤溫度、土壤熱阻系數、敷設深度、額定載流量；額定載流量為海纜在陸地段的額定載流量或根據陸地段的額定載流量修正的海底段的額定載流量；

B)對陸地段海纜模型和海底段海纜模型施加對應額定載流量, 通過穩態計算得到海纜銅導體最終溫度；

C)判斷海纜銅導體最終溫度與銅導體最高允許工作溫度的差值是否在設定范圍內；若在可接受的范圍內，則證明所建模型正確；

2）超負荷仿真分析；

A) 陸地段海纜超負荷運行仿真；

a)獲取典型日的周期負荷曲線最大值；

b)根據周期負荷曲線最大值，對陸地段海纜模型和海底段海纜模型施加對應的負荷，在24小時后，進行超負荷仿真；

c) 記錄不同超負荷情況下海纜銅導體溫度達到最高允許工作溫度時的時間；

B) 海底段海纜超負荷運行仿真；

a) 將陸地段海纜的載荷同樣施加于海底段的海纜模型；根據周期負荷曲線，對海底段海纜模型施加對應的負荷，在24小時后，進行超負荷仿真；

b) 記錄不同超負荷情況下海纜銅導體溫度達到最高允許工作溫度時的時間；

C)仿真結果分析；

分析陸地段、海底段的海纜超負荷運行仿真結果；比對在同樣超負荷情況下的陸地段、海底段的海纜應急時間差，及應急時間差隨超負荷變化的情況，應急時間為銅導體溫度上升至最高允許工作溫度所需的時間。