CN103728539B - 基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电缆电气故障仿真分析领域，特别涉及一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法。该方法利用电磁暂态仿真软件建立电缆故障模型、设置线路参数、确定故障类型、进行故障仿真、获得故障时的电流值；根据IEC60287标准建立电缆暂态热路模型，计算故障时电缆的暂态温度；利用有限元仿真软件建立电缆和测温光纤的热力学有限元模型，仿真电缆和测温光纤在故障前的稳态温度场分布和故障后的暂态温度场分布与变化；根据仿真结果中测温光纤的温度分布和变化规律获得电缆电气故障识别和定位判据。本发明解决了利用测温光纤温度分布数据分析电缆电气故障时准确性差、实验困难等问题，具有故障设置灵活，工作效率高等优点。

Description

基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法

技术领域

本发明属于电缆电气故障仿真分析领域，特别涉及一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法。

背景技术

随着分布式光纤传感技术的发展，利用一根测温光纤就可以获得沿线的温度分布信息。测温光纤温度的测量一般通过光纤内的光信号强度或频率信息获得，实现光信号测量的设备称为分布式光纤温度测量设备，基于光纤拉曼散射的温度测量仪、基于光纤布里渊散射的应变和温度测量仪和基于光纤瑞利相干检测的应变和温度测量仪都属于此类设备。

电能是国民经济发展的重要能源，电缆存在于现代化建设的各行各业，其重要性不言而喻。将分布式光纤传感技术应用于电缆温度监测可充分发挥光纤分布式测温的优点，实现电缆健康状态的实时监控。

然而，电缆径向一般采用多层结构、轴向具有长距离特点，导致电缆的温度分布和时间变化复杂，测温光纤测量的温度如何反应电缆的电气故障是一项亟待解决的问题。

目前，电力工作者一般采用两种方法，一种是通过经验判断温度和故障的关系，另一种是利用实体实验获得二者关系。前者准确性和可靠性差，往往导致误判和漏判；后者实验难度大、成本高、周期长、灵活性差，往往实现困难。

针对以上问题，本发明提出了一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法，既能提高故障判断的准确性和可靠性，又能克服实体实验的缺点，实现利用分布式光纤测温进行电缆电气故障的识别和定位。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法，用于解决利用测温光纤温度分布数据分析电缆电气故障时准确性差、实验困难等问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在电磁暂态仿真软件中建立电缆系统模型、设置线路参数、确定故障类型、进行故障仿真、获得故障时的电流值，具体方法如下：

(1)选定电磁暂态仿真软件，根据线路连接形式建立电缆系统模型，选用π型等值电路模拟电缆；

(2)确定电缆类型和型号，获取电缆参数，包括电压等级、长度、中性点接地方式、工作频率、正序阻抗、零序阻抗；确定电源类型、变压器容量和变比；确定用户负荷、用户等效阻抗；将所有参数输入建立好的电缆系统模型中；

(3)确定故障类型，包括单相接地短路、两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路、单相断路；接地短路故障通过直接与地短接或通过小电阻短接地实现，两相或三相短路通过两相或三相直接短接或通过小电阻短接实现，两相或三相接地短路通过先两相或三相相间短路再接地或两相或三相分别接地实现，单相断路通过切断线路或故障点串联大电阻实现；

(4)进行故障仿真；根据电缆继电保护装置动作时间设定故障的起始和结束时刻；在电缆系统模型中的故障线路段放置电流表和电压表；调用电磁暂态仿真软件的仿真命令进行仿真；

(5)获取故障电流；利用电缆系统模型中放置的电流表和电压表读取故障前后的电流值及变化过程；

步骤2：根据IEC60287标准建立电缆的暂态热路模型，计算故障时电缆的暂态温度，具体方法如下：

(1)根据电缆的结构和材料特性，利用IEC60287标准中介绍的热路模型构建方法建立电缆的暂态热路模型；

(2)根据电缆各层材料的厚度、热阻系数、热容系数，利用IEC60287标准中介绍的损耗、热阻和热容计算公式计算金属层和绝缘层的损耗、各层的热阻和热容；

(3)根据电缆稳态时的温度、故障持续时间，利用建立好的电缆暂态热路模型计算故障结束时刻电缆各层及测温光纤的暂态温度；

步骤3：建立电缆和测温光纤的热力学有限元模型，仿真故障前电缆的稳态温度场分布、故障后电缆和测温光纤的暂态温度场分布和变化，具体方法如下：

(1)选定有限元仿真软件，经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加，建立电缆和周围环境的热力学有限元模型；电缆各层使用SOLID90三维二十节点热实体单元，材料特性由导热系数、密度和比热容确定，几何模型根据电缆结构、形状和尺寸确定，网格划分采用非均匀方式，载荷由电缆各层损耗换算出的热生成率、电缆和环境初始温度、电缆与周围环境的换热系数和边界条件确定；

(2)调用有限元仿真软件中的仿真工具进行电缆故障前后的热力学仿真；先进行稳态仿真，获得电缆正常运行时各层温度分布和测温光纤的温度分布，为步骤2中电缆暂态热路模型的计算提供初值；再进行暂态仿真，获得故障引发继电保护装置切断电源后电缆各层和测温光纤的温度分布及随时间的变化；

步骤4：分析仿真结果，获得电缆电气故障识别和定位判据，具体方法如下：

(1)单相接地短路故障发生后，故障点至电源侧的电缆导体温度急剧升高，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之上升，故障点至用户侧电缆导体温度缓慢下降，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之下降，据此可识别单相接地短路故障，并根据测温光纤上故障点两侧不同的温度变化趋势定位故障点；两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路具有相同的特点，均可根据以上判据进行定位；

(2)断路故障发生后，故障点两侧的导体电流都变为零，根据光纤温度分布特点无法识别和定位故障；由于海缆导体的弹性模量和最大可承受应力都远远大于光纤，当导体中断后，光纤必定已断裂，分布式光纤测温数据在光纤断裂点之后会发生丢失，据此可识别和定位断路故障。

所述分布式光纤测温数据通过分布式光纤测温装置测量获得，电缆导体的温度分布和变化能通过测温光纤的温度反映出来。

所述测温光纤是电缆内复合的光纤，或是敷设于电缆表面的光缆。

所述分布式光纤测温装置是基于光纤拉曼散射、基于光纤布里渊散射或基于光纤瑞利相干检测原理的分布式光纤测温设备或仪器。

本发明的有益效果：1、本发明充分利用各种仿真分析方法的特点，可准确地获取电缆电气故障时的电气参数、热力学参数，获得充分、全面的电缆故障数据；2、本发明克服了利用经验判断故障类型准确性差和实体实验困难大等缺点；3、本发明提出的故障仿真分析方法故障设置灵活，工作效率高。

附图说明

图1为基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法流程图；

图2为利用PSCAD/EMTDC软件建立的电缆系统电磁暂态仿真模型；

图3为利用PSCAD/EMTDC软件建立的电缆故障发生模块；

图4为利用PSCAD/EMTDC软件仿真得到的A相接地短路故障时A、B、C各相的电流变化；

图5为根据IEC60287标准建立的海缆暂态热路模型；

图6为在有限元仿真软件ANSYS中进行的海缆和周围土壤温度场网格划分效果图；

图7为利用ANSYS仿真得到的海缆和周围土壤稳态温度分布云图；

图8为利用ANSYS仿真得到的各类故障导致海缆内复合光纤的温度变化曲线。

具体实施方式

本发明给出的电缆电气故障仿真分析方法流程图如图1所示。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

1、利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立电缆系统模型、设置线路参数。以某海峡敷设的光纤复合海底电缆为例，海缆为YJQ41型110kV三相单芯高压交流电缆，中性点接地方式为直接接地。海缆长3km，与50Hz工频电压波长相比长度较短，所以选用π型等值电路模拟海缆。由海缆技术协议得正序阻抗为0.077Ω/km，零序阻抗与正序阻抗比值为2.415；海缆两侧各有约15km的高压架空线，正序阻抗为0.445Ω/km；负荷采用恒定电阻模型，为满足用户变电站0.2kA运行负荷电流的要求，电阻选用300Ω；变压器额定容量为94.5MVA，变比为10.5/110kV；最后，建立仿真模型如图2所示。

2、设置故障类型，建立故障模块。海缆故障主要分为单相接地短路、两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路和断路六种类型，其中常见的是单相接地短路、两相短路、两相接地短路和断路。将故障发生模块建立在图2中的海缆部分，可以产生单相接地短路、相间短路及断路等故障，模块如图3所示。图3中COUPLEDPISECTION为海缆π型等值电路，分为两段。Ia_1、Ib_1、Ic_1、Ia_2、Ib_2、Ic_2为电流表，BRK_a、BRK_b和BRK_c为断路发生器，通过TimedBREAKerLogic控制断路方式和时间；FAULTS为短路发生器，通过TimedFaultLogic控制短路发生方式和时间。在海缆故障发生模块中，使用两段π型等值电路模拟海缆，在中间加入断路、短路故障发生装置，调节π型等值电路的LineLength参数，即可将海缆分为任意长度的两段，方便模拟海缆不同位置发生故障情况。为提高计算的真实性，断路发生器中使用极小电阻模拟通路，极大电阻模拟断路；短路发生器中使用极小电阻模拟短路，且短路电阻可调，用于模拟不同阻值短路故障，用极大电阻模拟无故障状态。

3、进行故障仿真、获得故障时的电流值。以单相接地短路故障为例，根据故障时继电保护装置的反应时间长度，设定故障持续时间为1s，设置模型在0.12s至1.12s内对故障进行了仿真，得到的A相接地短路故障电流变化如图4所示。图4中，a点时间为0，b点时间为0.12s，c点时间为1.12s，d点时间为1.2s。a至b为海缆A、B、C三相从启动到稳定运行的电流变化过程，b时刻海缆运行电流已达稳态；b至c为海缆发生A相接地短路故障时A、B、C三相电流变化情况，幅值较大的波形为A相电流，幅值较小的波形为B、C相电流；c至d为海缆故障排除后A、B、C三相稳态运行电流。读取仿真结果得，A相接地短路故障发生后，A、B、C三相的电流依次为6.288kA、0.270kA和0.251kA。

4、根据IEC60287标准建立海缆的暂态热路模型，计算热路参数。

根据海缆结构确定海缆的热路模型如图5所示。图5中，W₀为铜导体损耗，W₁为XLPE绝缘层损耗，W₂为铅合金护套损耗，W₃为黄铜带损耗，W₄为钢丝铠装层损耗；θ₀为铜导体表面温度，θ₁为半导电包带外表面温度，θ₂为XLPE绝缘层外表面温度，θ₃为半导电阻水带外表面温度，θ₄为铅合金护套外表面温度，θ₅为沥青防腐层外表面温度，θ₆为高密度聚乙烯塑料护层外表面温度，θ₇为黄铜带外表面温度，θ₈为PET填充条外表面温度(亦即测温光纤温度)，θ₉为PP绳内衬层外表面温度，θ₁₀为钢丝铠装层外表面温度，θ₁₁为外护套(PP绳被层)外表面温度；C_i(i＝0～11)为对应海缆各层热容；T_i(i＝1～11)为对应海缆各层热阻；θ_ol～θ_om为海缆外部热源温度，T_ol～T_om为海缆外部热源至电缆表面介质热阻，C_o为海缆外部介质等效热容。

损耗、热容、热阻的计算按照以下步骤进行：

(1)确定海缆各层的材料参数，如表1所示。

表1海缆的结构和材料参数

(2)计算海缆各层的损耗，损耗只考虑金属层的损耗和绝缘介质的损耗。

导体损耗计算公式为

W₀＝I²R

式中，W₀是导体损耗，I为导体电流，R为导体交流电阻。

绝缘介质损耗计算公式为

$W_1=2\mathrm{\π}f\·c\·U_0^2\·\tan \mathrm{\δ}$

式中，f＝50Hz为电源频率，c为电缆电容，U₀＝64kV为相电压，tanδ为电源系统在工作温度下的绝缘损耗因数。

铅合金护套、黄铜带、钢丝铠装层采用内部多点互联结构，损耗可统一计算为

$W_{(S+A+Cu)}=I^2{R}_e\left(\frac{B_1^2+B_2^2+R_e{B}_2}{{(R_e+B_2)}^2+B_1^2}\right)$

式中， $R_e=\frac{R_S\·R_{Cu}\·R_A}{R_S\·R_{Cu}+R_S\·R_A+R_A\·R_{Cu}}$

B₁＝ω(H_S+H_Cu+H₁+H₃)

B₂＝ωH₂

$H_S=2\×{10}^{-7}ln\left(\frac{2s}{d}\right)$

$H_{Cu}=2\×{10}^{-7}ln\left(\frac{2s}{d^{\′}}\right)$

$H_1={\mathrm{\π\μ}}_e\left(\frac{n_1{d}_f^2}{{\mathrm{\ρd}}_A}\right){10}^{-7}\sin \mathrm{\β}\·cos\mathrm{\γ}$

$H_2={\mathrm{\π\μ}}_e\left(\frac{n_1{d}_f^2}{{\mathrm{\ρd}}_A}\right){10}^{-7}\sin \mathrm{\β}\·sin\mathrm{\γ}$

$H_3=0.4({\mathrm{\μ}}_t-1)\left(\frac{d_f}{d_A}\right){10}^{-6}{\cos }^2\mathrm{\β}$

其中，H_s为金属套引起的电感，H_Cu为黄铜带引起的电感，H₁、H₂和H₃为钢丝铠装层引起的电感分量，s为三条海缆间距的几何平均值，d为金属护套平均直径，d′为黄铜带平均直径，d_A为钢丝铠装层平均直径，d_f为钢丝直径，ρ为沿着海缆的钢丝节距长度，n₁为钢丝根数，查海缆协议书得ρ＝1400mm，n＝47根，钢丝铠装轴心与海缆轴心之间夹角β＝14°，钢丝纵向磁通滞后于磁场强度的角度γ＝45°，钢丝纵向相对导磁率μ_e＝400，钢丝横向相对导磁率μ_t＝10。

(3)计算海缆各层的热阻。

根据IEC60287标准得暂态热路模型中海缆各层热阻计算公式为

$T_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{2\mathrm{\π}}ln(1+\frac{2t_i}{d_i})$

式中，T_i(i＝1～10)为热路模型中对应海缆各层热阻；ρ_i(i＝1～10)为热路模型中对应海缆各层热阻系数；t_i(i＝1～10)为热路模型中对应海缆各层厚度；d_i(i＝1～10)为热路模型中对应海缆各层内径。

(4)计算海缆各层的热容。

根据IEC60287标准得暂态热路模型中海缆各层热容计算公式为

$C_i={\mathrm{\δ}}_i\×\frac{\mathrm{\π}}{4}(d_i^2-d_{i-1}^2)$

式中，C_i(i＝0～10)为暂态热路模型中对应海缆各层热容；δ_i(i＝0～10)为暂态热路模型中对应海缆各层热容系数；d_i(i＝0～10)为暂态热路模型中对应海缆各层外径，当i＝0时，d_i-1＝0。

5、计算故障时电缆的暂态温度。

用节点电压法列出图5所示热路模型的节点方程为

$\begin{array}{ccccc}\left(C_{01}\frac{d}{dt}+\frac{1}{T_1}\right){\mathrm{\θ}}_0& -\frac{1}{T_1}{\mathrm{\θ}}_1& & & =W_0\\ -\frac{1}{T_1}{\mathrm{\θ}}_0& +\left(C_2\frac{d}{dt}+\frac{1}{T_1}+\frac{1}{T_2}\right){\mathrm{\θ}}_1& -\frac{1}{T_2}{\mathrm{\θ}}_2& & =W_1\\ & \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ & \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ & & -\frac{1}{T_{10}}{\mathrm{\θ}}_9& +\left(C_{11}\frac{d}{dt}+\frac{1}{T_{10}}+\frac{1}{T_{11}}\right){\mathrm{\θ}}_{10}& =\frac{1}{T_{11}}{\mathrm{\θ}}_{11}\end{array}$

式中，W_i和θ_i都是时间的函数，W_i可通过前面的公式计算获得，θ_i为未知量，可根据常微分方程求解，θ_i的初值可由后面介绍的海缆稳态温度有限元仿真方法获得。

将前面计算得到的热路参数、故障持续时间、故障电流及后面有限元模型计算得到的海缆稳态温度带入节点方程，求解得到故障结束时刻A相海缆各层的暂态温度如表2所示。

表2故障结束时刻A相海缆各层的暂态温度

6、建立电缆和测温光纤的热力学有限元模型，利用该模型仿真故障前电缆的稳态温度场分布、故障后电缆和测温光纤的暂态温度场分布和变化。

使用ANSYS有限元仿真软件建立海缆有限元模型，需要经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加等步骤，具体内容如下：

(1)选择海缆的单元与材料模型。

使用SOLID90三维二十节点热实体单元对海缆进行建模，它可用于三维的稳态或暂态热分析，每单元拥有二十个节点，每个节点一个温度自由度，二十节点单元有协调的温度形函数，尤其适用于描述弯曲边界。

在稳态温度分析中，热传导和温度分布仅与材料导热系数有关；在暂态温度分析中，热传导和温度分布不仅与材料导热系数有关，并且与材料的密度和比热容密切相关。根据海缆实际材料属性，在有限元分析中需要用到的参数如表3所示。

表3海缆稳态和暂态有限元模型参数

(2)建立海缆的几何模型并进行网格划分，如图6所示。

海缆铜导体为实心圆柱，PET填充条、光单元和铠装钢丝均以层绞方式缠绕在海缆指定层，其他层均认为是厚度与材料属性均匀的空心圆柱。海缆埋设在海床下2米处，设定海缆周围土壤为边长4米的正方形，海缆位于正方形中心。

海缆重点分析区域为本体及周围较近区域，对重点分析区域的网格进行密集划分，而其他区域稀疏划分。采用不均匀的方式对网格划分，可保证在较少单元数量下得到较高计算精度。

(3)设定边界条件并施加载荷。

设定模型下边界为第一类边界条件，左右边界为第二类边界条件，上边界为第三类边界条件。

取3月份海水温度14℃，认为深层土壤温度与海水温度近似相等，共同作为环境温度；在左右土壤边界设置其法向热流密度为0；土壤与海水的对流换热系数为200W/(m²℃)。稳态有限元模型中海缆热源主要是海缆各金属层损耗，根据海缆稳态运行电流，对海缆施加载流量0.202kA，各层热生成率载荷为计算的海缆损耗。暂态有限元模型中，设定电缆各层初始温度为表2中的值，导体电流为0，各层热生成率载荷为0。

(4)进行海缆有限元仿真，获得稳态和暂态仿真结果。

仿真后获得海缆及周围土壤稳态温度分布如图7所示，读取仿真结果得到的稳态温度如表4所示。

表4故障前海缆各层的稳态温度

利用ANSYS暂态有限元模型对故障发生后10min内海缆温度变化情况进行仿真，得到不同故障时海缆内复合光纤的温度变化如图8所示。

7、分析仿真结果，获得电缆电气故障识别和定位判据。

首先，进行电缆电气故障的识别。分析图8可知，当发生A相接地短路故障时，A相海缆中复合光纤(以下简称光纤)的温度从16.49℃上升为19.01℃；当发生A相断路故障时，A相光纤温度从16.49℃下降为14.73℃；当发生A、B相短路故障时，A相光纤从16.49℃上升为20.83℃，B相光纤从16.49℃上升为20.47℃；当发生A、B相接地短路故障时，A相光纤从16.49℃上升为20.50℃，B相光纤从16.49℃上升为21.27℃。可见，海缆发生电气故障时，光纤温度会发生相应的变化，若只有一相光纤温度上升，可判断该相海缆发生接地短路故障；若有多相光纤同时上升，且幅度相当，可判断该相海缆发生了相间短路或接地短路故障，根据多相海缆的相间距及故障位置可进一步区分相间短路和接地短路故障，若相间距较大，则很可能发生接地短路故障，若相间距较小，则很可能发生短路故障，若多相故障位置不同，则发生了接地短路故障；若一相或多相光纤温度下降，可判断该相海缆发生了断路故障。

其次，进行电气故障定位。单相接地短路点至电源的海缆在短路瞬间产生大电流，故障点至用户的海缆电流瞬变为零，因此故障结束时刻故障点两侧的导体温度是不同的，电源侧的温度高，用户侧的温度低，此后故障点两侧的温度变化斜率是相反的，即电源侧海缆的温度成上升趋势，用户侧的海缆温度成下降趋势，据此可定位故障点。相间短路和多相接地短路具有同样的特点，均可根据以上判据进行定位。断路故障发生后，故障点两侧的导体电流都变为零，之后的温度变化趋势也相同，单纯靠以上方法无法定位故障点。因为海缆导体的弹性模量和最大可承受应力都远远大于光纤，因此，当导体中断后，光纤肯定已经断裂，分布式光纤测温数据在光纤断裂点之后会发生突变，据此可定位海缆断路故障位置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在未脱离本发明技术实质的情况下，对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在电磁暂态仿真软件中建立电缆系统模型、设置线路参数、确定故障类型、进行故障仿真、获得故障时的电流值，具体方法如下：

(1)选定电磁暂态仿真软件，根据线路连接形式建立电缆系统模型，选用π型等值电路模拟电缆；

(2)确定电缆类型和型号，获取电缆参数，包括电压等级、长度、中性点接地方式、工作频率、正序阻抗、零序阻抗；确定电源类型、变压器容量和变比；确定用户负荷、用户等效阻抗；将所有参数输入建立好的电缆系统模型中；

(3)确定故障类型，包括单相接地短路、两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路、单相断路；接地短路故障通过直接与地短接或通过小电阻短接地实现，两相或三相短路通过两相或三相直接短接或通过小电阻短接实现，两相或三相接地短路通过先两相或三相相间短路再接地或两相或三相分别接地实现，单相断路通过切断线路或故障点串联大电阻实现；

(4)进行故障仿真；根据电缆继电保护装置动作时间设定故障的起始和结束时刻；在电缆系统模型中的故障线路段放置电流表和电压表；调用电磁暂态仿真软件的仿真命令进行仿真；

(5)获取故障电流；利用电缆系统模型中放置的电流表和电压表读取故障前后的电流值及变化过程；

步骤2：根据IEC60287标准建立电缆的暂态热路模型，计算故障时电缆的暂态温度，具体方法如下：

(1)根据电缆的结构和材料特性，利用IEC60287标准中介绍的热路模型构建方法建立电缆的暂态热路模型；

(2)根据电缆各层材料的厚度、热阻系数、热容系数，利用IEC60287标准中介绍的损耗、热阻和热容计算公式计算金属层和绝缘层的损耗、各层的热阻和热容；

(3)根据电缆稳态时的温度、故障持续时间，利用建立好的电缆暂态热路模型计算故障结束时刻电缆各层及测温光纤的暂态温度；

步骤3：建立电缆和测温光纤的热力学有限元模型，仿真故障前电缆的稳态温度场分布、故障后电缆和测温光纤的暂态温度场分布和变化，具体方法如下：

(1)选定有限元仿真软件，经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加，建立电缆和周围环境的热力学有限元模型；电缆各层使用SOLID90三维二十节点热实体单元，材料特性由导热系数、密度和比热容确定，几何模型根据电缆结构、形状和尺寸确定，网格划分采用非均匀方式，载荷由电缆各层损耗换算出的热生成率、电缆和环境初始温度、电缆与周围环境的换热系数和边界条件确定；

(2)调用有限元仿真软件中的仿真工具进行电缆故障前后的热力学仿真；先进行稳态仿真，获得电缆正常运行时各层温度分布和测温光纤的温度分布，为步骤2中电缆暂态热路模型的计算提供初值；再进行暂态仿真，获得故障引发继电保护装置切断电源后电缆各层和测温光纤的温度分布及随时间的变化；

步骤4：分析仿真结果，获得电缆电气故障识别和定位判据，具体方法如下：

(1)单相接地短路故障发生后，故障点至电源侧的电缆导体温度急剧升高，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之上升，故障点至用户侧电缆导体温度缓慢下降，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之下降，据此可识别单相接地短路故障，并根据测温光纤上故障点两侧不同的温度变化趋势定位故障点；两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路具有相同的特点，均可根据以上判据进行定位；

(2)断路故障发生后，故障点两侧的导体电流都变为零，根据光纤温度分布特点无法识别和定位故障；由于海缆导体的弹性模量和最大可承受应力都远远大于光纤，当导体中断后，光纤必定已断裂，分布式光纤测温数据在光纤断裂点之后会发生丢失，据此可识别和定位断路故障。

2.根据权利要求1所述基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法，其特征在于，电缆导体的温度分布和变化应能够通过测温光纤的温度反映出来，测温光纤的温度能通过分布式光纤测温装置测量获得。

3.根据权利要求1所述基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法，其特征在于，测温光纤是电缆内复合的光纤，或是敷设于电缆表面的光缆；分布式光纤测温装置是基于光纤拉曼散射、基于光纤布里渊散射或基于光纤瑞利相干检测原理的分布式光纤测温设备或仪器。