CN107066719A - 光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，涉及故障仿真分析领域。目前，海缆结构复杂，各层的材料差异过大，当采用仿真分析时进行仿真时，数据量大，计算复杂，温度分布规律分析异常麻烦，且存在分析结果不准确的风险。本发明包括以下步骤：建立海底电缆接地故障的几何模型；设置电热耦合有限元单元类型和材料参数；采用多种方法划分有限元网格；设定海床边界条件和电压电流载荷；分析接地故障后的温度分布数据及时变规律。本技术方案有效克服实体试验成本高、实施困难、数据难以获取等缺点，高效的实现海底电缆接地故障的仿真，获得故障时海底电缆各层结构的温度分布及时变规律，且计算分析方便，快速。

Description

光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法

技术领域

本发明涉及故障仿真分析领域，尤其涉及光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法。

背景技术

我国海岸线较长，岛屿众多，海上活动频繁，海底电缆在远程供电、高压输电和通信等方面起着至关重要的作用。近年来，三芯海底电缆在海底配电网中得到了广泛应用，目前应用最多的就是交联聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）三芯光纤复合海底电缆。然而实际运行中的海缆埋于海床之下，长期遭受海水冲刷、侵蚀，很容易造成海缆的阻水性能变差，进而导致绝缘缺陷乃至绝缘击穿等电气故障的发生。故障发生后，及时进行故障检测和报警至关重要。利用分布式光纤温度传感技术监测海底电缆的工作状态是一种新方法，然而，利用该方法进行故障诊断时需要知道故障后海底电缆的温度分布规律。开展实体试验成本高、实施困难、数据难以获取。

如图1（a）、1（b）所示，三芯XLPE绝缘光纤复合海缆，由三个完全相同的导电线芯、两个光单元及外层材料绞合而成，导电线芯在海缆内呈“品”字形排列，由内到外依次为阻水铜导体、导体屏蔽、XLPE绝缘、绝缘屏蔽、半导电阻水层、铅合金护套、沥青防腐层和聚乙烯内护套。外层材料由内到外依次为填充物、扎带、铠装垫层、镀锌钢丝铠装层和外被层。在填充层内，两根光单元对称分布，该光单元由聚乙烯内护套和钢管组成，8根通信用单模光纤呈松弛状态置于钢管之中。铜导体由导电圆单线逐层绞合而成；线芯以及光单元分别以绞合的方式被包裹在填充物内；钢丝铠装层则由铠装钢丝以层绞的方式缠绕在海缆指定层。海缆结构复杂，各层的材料差异过大，当采用仿真分析时进行仿真时，数据量大，计算复杂，温度分布规律分析异常麻烦，且存在分析结果不准确的风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，以达到低成本获取海缆温度分布规律的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，包括以下步骤：

1）建立海底电缆接地故障的几何模型；包括：

101）建立海底电缆接地故障的几何模型，几何模型采用多根完全相同的导电线芯、一根或多个光单元绞合并外包外层材料而成；外包外层材料包括填充层，填充层包裹导电线芯和光单元，导电线芯包括导体线芯、绝缘层、金属护套， 导体线芯、绝缘层、金属护套由内而外设置；

102）设置位于海缆外周的土壤层，土壤层长度设与海缆相同，海缆位于土壤的中心位置；

103）设置故障处模型，取绝缘层上的一小块模拟导体线芯与外层的金属护套存在接触电阻与过渡电阻，并在导体线芯与金属护套之间建立一个贯穿绝缘层的大电阻实体，以模拟接触电阻和过渡电阻，接触电阻和过渡电阻为击穿电阻，击穿电阻与整体模型进行粘连；线芯导体通过击穿电阻与绝缘层外部的金属护套实现电气相连，且铅合金护套两端接地；

2） 设置电热耦合有限元单元类型和材料参数；

3）采用多种方法划分有限元网格；

绝缘层、填充层采用不规则的网格划分方式，导体线芯、金属护套采用扫掠的规则的网格划分方式；

4）设定海床边界条件和电压电流载荷；

5）分析接地故障后的温度分布数据及时变规律；包括：

501）获取光单元温度随空间变化情况；

502）获取光单元、导体线芯、击穿电阻、绝缘层以及金属护套的温度随时间变化情况。

本技术方案有效克服实体试验成本高、实施困难、数据难以获取等缺点，利用有限元分析软件建立三芯光纤复合海底电缆发生接地故障时的故障模型，高效的实现海底电缆接地故障的仿真，获得故障时海底电缆各层结构的温度分布及时变规律，为利用分布式光纤传感技术检测海缆接地故障提供了依据，且计算分析方便，快速。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

在步骤101）中，几何模型采用三根完全相同的导电线芯、一根光单元绞合并外包外层材料而成；导电线芯在海缆内呈“品”字形排列；对铜导体内部以及钢丝铠装层均不采用绞合，导体屏蔽、XLPE绝缘以及绝缘屏蔽三层合并，统称绝缘层；半导电阻水层和铅合金护套合并；沥青防腐层、聚乙烯内护套、填充物以及扎带合并为一层。

进一步的：在步骤102）中，将海底电缆周围海床的土壤层截面范围设置为4m×4m的正方形。

进一步的：在步骤2）中，采用ANSYS Multiphysics模块模拟海底电缆接地故障的发生；采用SOLID90热实体单元进行仿真分析，该单元拥有二十个节点，每个节点只包含温度一个自由度，其对电参数不敏感，符合绝缘层的特点；三芯海底电缆接地故障分析为暂态热分析。

进一步的：在步骤4中，设模型下边界的海床土壤温度恒定，与海水温度相等，取海水温度为20℃，此为第一类边界条件；模型在水平方向的温度保持一致，即左右边界的法向热流密度为0，故左右边界条件为第二类边界条件；模型的上边界为海水，海床土壤与海水之间存在对流换热，此为第三类边界条件；对海底电缆单相接地故障进行仿真时，通过施加电流载荷完成；在进行有限元求解时，选用暂态温度分析，并设定初始参考温度为20℃；电流流经铜导体时，限制铜导体一端的电压自由度，并且施加相应的阶跃电流载荷；对发生接地故障处的铅合金护套施加接地的电流载荷，并限制电压自由度。

进一步的：在步骤501）中，根据实际继电保护动作时间和线路延时，设故障发生n秒后电源切断，流经海缆的电流值为0，海缆不再产生热量；生成故障刚发生时光单元温度分布图及故障发生一段时间后的光单元温度分布图，取其中光单元温度最高点处，即与故障发生处同位置的节点，对该位置节点不同时刻的温度求平均值，得出光单元温度随时间的变化情况。

进一步的：在步骤502）中，每隔一段距离选取一个光单元的截面，并对同一截面内的所有节点温度求取平均值，得到的光单元不同位置的温度分布, 根据光单元不同位置的温度分布图分析光单元温度的最高点的位置，判断该位置是否位于故障点同平面的位置附近，之后，重复步骤5）的方法提取海缆铜导体、击穿电阻、绝缘层以及金属护套的温度随时间变化情况, 以为利用分布式光纤传感技术检测到海缆故障点提供理论依据。

有益效果：本技术方案有效克服实体试验成本高、实施困难、数据难以获取等缺点，利用有限元分析软件建立三芯光纤复合海底电缆发生接地故障时的故障模型，高效的实现海底电缆接地故障的仿真，获得故障时海底电缆各层结构的温度分布及时变规律，为利用分布式光纤传感技术检测海缆接地故障提供了依据，且计算分析方便，快速。

附图说明

图1（a）是三芯光纤复合海缆结构剖面图。

图1（b）是导电线芯结构剖面图。

图1（c）是光单元结构剖面图。

图2 是本发明线芯与光单元的几何模型。

图3是本发明海缆整体三维几何模型。

图4 是本发明故障处模型。

图5（a）是本发明海缆网格划分效果图。

图5（b）是本发明模型截面网格划分效果图。

图6 是本发明电流矢量分布图。

图7（a）是本发明故障刚发生时光单元温度分布云图。

图7（b）是本发明故障1000s后光单元温度分布云图。

图8是本发明光单元温度变化曲线。

图9 是本发明光单元不同位置的温度分布。

图10 是本发明海缆各层温度随时间变化情况。

图11是本发明流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图11所示，本发明包括以下步骤：

1、建立海底电缆接地故障的几何模型

采用ZS-YJQF41型36 kV三芯XLPE绝缘光纤复合海缆，由三个完全相同的导电线芯、两个光单元及外层材料绞合而成，海缆截面如图1（a），导电线芯截面如图1（b）所示；光单元截面如图1（c）。

导电线芯在海缆内呈“品”字形排列，由内到外依次为阻水铜导体6、导体屏蔽7、XLPE绝缘8、绝缘屏蔽9、半导电阻水层10、铅合金护套11、沥青防腐层12和聚乙烯内护套13。外层材料由内到外依次为填充物1、扎带2、铠装垫层3、镀锌钢丝铠装层4和外被层5。在填充层内，两根光单元对称分布，该光单元包括聚乙烯内护套14和钢管15，8根通信用单模光纤16呈松弛状态置于钢管15之中。铜导体由导电圆单线逐层绞合而成；线芯以及光单元分别以绞合的方式被包裹在填充物内；钢丝铠装层则由铠装钢丝以层绞的方式缠绕在海缆指定层。

海缆的绞合结构是为了增强海底电缆的机械强度，对海缆内部的热量传递、温度分布等影响较小，因此在构建海底电缆接地故障的电气模型时，在保证仿真结果正确性的前提下，对铜导体内部以及钢丝铠装层均不采用绞合，并根据IEC国际标准对模型进行适当简化，以控制网格数量，提高计算速度。导体屏蔽、XLPE绝缘以及绝缘屏蔽都为聚乙烯材料，电热特性相同，且导体屏蔽和绝缘屏蔽较薄，将这三层合并，统称绝缘层。半导电阻水层厚度很小，在绝缘层与铅合金护套中间起膨胀缓冲的作用，将其和铅合金护套合并。沥青防腐层、聚乙烯内护套、填充物以及扎带合并为一层。两根光单元在海底电缆内部呈对称分布，与线芯相对位置始终保持不变，此处简化为一根。铜导体与光单元的几何模型如图2所示。

将海底电缆周围海床的土壤层截面范围设置为4m×4m的正方形，长度设与海缆相同，海缆位于土壤的中心位置。建好的海缆整体三维几何模型如图3所示。

三芯海底电缆发生接地故障时，导体线芯与外层的金属护套存在接触电阻与过渡电阻，他们的阻值比线芯电阻大得多，本文取绝缘层上的一小块（Z=0.47m-0.49m处）模拟此电阻，并在铜导体与铅合金之间建立一个贯穿绝缘层的大电阻实体，以模拟接触电阻和过渡电阻（本文称之为“击穿电阻”）。为保证正常的热传递和电贯通，将击穿电阻与整体模型进行粘连（GLUE）。建好的故障处模型如图4所示。

由图4可知，铜导体通过击穿电阻与绝缘外部的铅合金护套实现电气相连。按照海底电缆的通用接地方式，本文将铅合金护套两端接地。

2 、设置电热耦合有限元单元类型和材料参数

采用ANSYS Multiphysics模块模拟海底电缆接地故障的发生。采用SOLID90热实体单元进行仿真分析，该单元拥有二十个节点，每个节点只包含温度一个自由度，对电参数不敏感，符合绝缘层的特点。三芯海底电缆接地故障分析属于暂态热分析，需要用到的材料参数如表1所示。

表1 海缆有限元模型材料参数表

3 、采用多种方法划分有限元网格

在对故障附近进行网格划分时，由于此时的绝缘层已被破坏，不是规则的几何体，因此我们采用智能网格划分，并选用较精确的划分系数。填充层包裹在三个线芯及一根光单元外面，其几何结构不规则，也采用智能网格划分，并适当降低网格要求，控制网格数量。海缆的其它层均采用扫掠的网格划分方式。划分完的网格效果图如图5（a）、5（b）所示。

4 、设定海床边界条件和电压电流载荷

设模型下边界的海床土壤温度恒定，与海水温度相等，取海水温度为20℃，此为第一类边界条件；模型在水平方向的温度保持一致，即左右边界的法向热流密度为0，故左右边界条件为第二类边界条件；模型的上边界为海水，海床土壤与海水之间存在对流换热(系数为200W/(m℃)，此为第三类边界条件。

对海底电缆单相接地故障进行仿真时，主要是通过施加电流载荷完成。本文在进行有限元求解时，选用暂态温度分析，并设定初始参考温度为20℃。电流流经铜导体时，限制铜导体一端的电压自由度，并且施加相应的阶跃电流载荷。海缆正常运行时，导体电流在金属护套上产生的感应电流可在很大程度上相互抵消，但发生接地故障时，铜导体电流经击穿电阻直接流向铅合金护套接地，因此对发生接地故障处的铅合金护套施加接地的电流载荷，并限制电压自由度。最后得到接地故障时，铜导体以及击穿电阻的电流矢量分布如图6所示。

由图6可知，铜导体内的电流经击穿电阻大量涌向外层铅合金护套，电流流动的方向也证明了上文中故障模型建立的正确性。流经铅合金护套的电流随后流入大地，形成单相接地故障。

5、分析接地故障后的温度分布数据

5.1 光单元温度随空间变化情况

接地故障发生后，海缆供电系统会进行相应的继电保护，由于击穿电阻阻值较大，海缆会产生大量的热。根据实际继电保护动作时间和线路延时，设故障发生1s后电源切断，流经海缆的电流值为0，海缆不再产生热量。根据光单元温度的变化便可监测到海缆内部的温度变化情况，识别故障的产生。接地故障发生时及故障发生1000s后，光单元温度分布情况如图7（a）、7（b）所示。

由图可知，在1s的时间内，光单元温度几乎没有变化，稳定在我们设定的初始值20℃附近。此时海缆的温升主要表现为电流流经的导体温度的上升。故障发生1000s后，光单元温度有了明显的温升，最高处节点的温度可达35.1442℃，比初始温度升高了15℃，光单元温度的变化情况是非常明显的，其中光单元温度较高的部分即为海缆故障发生处。

我们取其中光单元温度最高点处，即与故障发生处同位置的节点，对该位置节点不同时刻的温度求平均值，得出光单元温度随时间的变化情况，如图8所示。

可见1000s时间内，光纤温度由我们设定的初始值20℃不断上升，最高温度可达30℃以上，通过监测光纤温度的变化，可明显识别到海缆接地故障的发生。

5.2光单元及海缆各层的温度随时间变化情况

由于光单元以层绞的方式缠绕在海缆指定层，贯穿整条海缆，与故障点处于同一截面的各个节点的温度可能存在差异，因此我们每隔0.024m选取一个光单元的截面，共选取40个截面，并对同一截面内的所有节点温度求取平均值，得到的光单元不同位置的温度分布如图9所示。

由于前面建模时，我们设定的绝缘被击穿位置大约在Z=0.48m附近，通过光单元不同位置的温度分布图可以看出光单元温度的最高点正好出现在与故障点同平面的位置附近，这为利用分布式光纤传感技术检测到海缆故障点提供了理论依据。

用同样的方法提取海缆铜导体、击穿电阻、XLPE绝缘层以及铅合金护套的温度随时间变化情况，如图10所示。

由图10可知，故障发生时刻，各层的温度迅速升到最高，之后温度下降。发生接地故障的导体线芯会产生大量的热，其中铜导体的最高温度可达4500℃，决定海缆寿命的XLPE绝缘层瞬间温度最高也达到近300℃，这对三芯海缆的破坏是毁灭性的。

以上图所示的光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (7)

1.光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1）建立海底电缆接地故障的几何模型；包括：

101）建立海底电缆接地故障的几何模型，几何模型采用多根完全相同的导电线芯、一根或多个光单元绞合并外包外层材料而成；外包外层材料包括填充层，填充层包裹导电线芯和光单元，导电线芯包括导体线芯、绝缘层、金属护套， 导体线芯、绝缘层、金属护套由内而外设置；

102）设置位于海缆外周的土壤层，土壤层长度设与海缆相同，海缆位于土壤的中心位置；

103）设置故障处模型，取绝缘层上的一小块模拟导体线芯与外层的金属护套存在接触电阻与过渡电阻，并在导体线芯与金属护套之间建立一个贯穿绝缘层的大电阻实体，以模拟接触电阻和过渡电阻，接触电阻和过渡电阻为击穿电阻，击穿电阻与整体模型进行粘连；线芯导体通过击穿电阻与绝缘层外部的金属护套实现电气相连，且铅合金护套两端接地；

2） 设置电热耦合有限元单元类型和材料参数；

3）采用多种方法划分有限元网格；

绝缘层、填充层采用不规则的网格划分方式，导体线芯、金属护套采用扫掠的规则的网格划分方式；

4）设定海床边界条件和电压电流载荷；

5）分析接地故障后的温度分布数据及时变规律；包括：

501）获取光单元温度随空间变化情况；

502）获取光单元、导体线芯、击穿电阻、绝缘层以及金属护套的温度随时间变化情况。

2.根据权利要求1所述的光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，其特征在于：在步骤101）中，几何模型采用三根完全相同的导电线芯、一根光单元绞合并外包外层材料而成；导电线芯在海缆内呈“品”字形排列；对铜导体内部以及钢丝铠装层均不采用绞合，导体屏蔽、XLPE绝缘以及绝缘屏蔽三层合并，统称绝缘层；半导电阻水层和铅合金护套合并；沥青防腐层、聚乙烯内护套、填充物以及扎带合并为一层。

3.根据权利要求2所述的光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，其特征在于：在步骤102）中，将海底电缆周围海床的土壤层截面范围设置为4m×4m的正方形。

4.根据权利要求3所述的光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，其特征在于：在步骤2）中，采用ANSYS Multiphysics模块模拟海底电缆接地故障的发生；采用SOLID90热实体单元进行仿真分析，该单元拥有二十个节点，每个节点只包含温度一个自由度，其对电参数不敏感，符合绝缘层的特点；三芯海底电缆接地故障分析为暂态热分析。

5.根据权利要求4所述的光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，其特征在于：在步骤4中，设模型下边界的海床土壤温度恒定，与海水温度相等，取海水温度为20℃，此为第一类边界条件；模型在水平方向的温度保持一致，即左右边界的法向热流密度为0，故左右边界条件为第二类边界条件；模型的上边界为海水，海床土壤与海水之间存在对流换热，此为第三类边界条件；对海底电缆单相接地故障进行仿真时，通过施加电流载荷完成；在进行有限元求解时，选用暂态温度分析，并设定初始参考温度为20℃；电流流经铜导体时，限制铜导体一端的电压自由度，并且施加相应的阶跃电流载荷；对发生接地故障处的铅合金护套施加接地的电流载荷，并限制电压自由度。

6.根据权利要求5所述的光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，其特征在于：在步骤501）中，根据实际继电保护动作时间和线路延时，设故障发生n秒后电源切断，流经海缆的电流值为0，海缆不再产生热量；生成故障刚发生时光单元温度分布图及故障发生一段时间后的光单元温度分布图，取其中光单元温度最高点处，即与故障发生处同位置的节点，对该位置节点不同时刻的温度求平均值，得出光单元温度随时间的变化情况。

7.根据权利要求6所述的光纤复合海底电缆接地故障时温度分布仿真分析方法，其特征在于：在步骤502）中，每隔一段距离选取一个光单元的截面，并对同一截面内的所有节点温度求取平均值，得到的光单元不同位置的温度分布, 根据光单元不同位置的温度分布图分析光单元温度的最高点的位置，判断该位置是否位于故障点同平面的位置附近，之后，重复步骤5）的方法提取海缆铜导体、击穿电阻、绝缘层以及金属护套的温度随时间变化情况,以为利用分布式光纤传感技术检测到海缆故障点提供理论依据。