CN107506511B

CN107506511B - 基于有限元的矿用xlpe电缆泄漏电流动态分析方法

Info

Publication number: CN107506511B
Application number: CN201710476869.7A
Authority: CN
Inventors: 耿蒲龙; 杜亚昆; 宋建成; 田慕琴; 庞丹
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: CN107506511A

Abstract

一种基于有限元的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法，所述方法包括结合悬挂在金属锚网上的矿用高压电缆结构，利用COMSOL有限元分析软件建立电缆几何模型，通过对XLPE试样进行介电谱测量获取其介电参数，并对测量结果进行拟合得到XLPE介电参数与温度、电场频率的数值关系，随后代入电缆各部分材料参数，设置初始条件，进行网格剖分，对电缆电场、热场、泄漏电流进行仿真计算，并探究泄漏电流随负荷系数、电场频率的变化规律。本方法为检测、防治电缆泄漏电流提供了理论依据。

Description

基于有限元的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法

技术领域

本发明涉及一种XLPE电缆泄漏电流的分析方法，尤其是一种基于有限元的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法。

技术背景

煤矿由于其特殊的生产环境，瓦斯浓度极高，极易因火源问题而发生瓦斯燃烧以及爆炸事故。据统计，在我国煤矿机电事故中，由电火花引起的爆炸事故占40%-50%，由于杂散电流管理不善而造成的火灾与爆炸事故又占到这些故障的25%-35%。目前电缆是井下最主要的电力传输与分配电能的设施，而交流泄漏电流是电缆传输电能过程中的必然产物，是交流杂散电流的重要组成部分，并随着电缆绝缘老化程度的加深而大幅增大，它的存在，一方面会危及人身安全，另一方面易形成杂散电流，进而产生电火花，引起瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤尘爆炸等事故，威胁工矿企业的生产安全。

目前，国内外对于矿井下的电缆泄漏电流方面投入的研究力量不足。因为井下电流检测设备目前只能检测出mA级别的泄漏电流，但矿用高压电缆的绝缘电阻较高，其泄漏电流常常在pA级别，因此学者们多采用仿真方法研究。研究方法上，电缆常用的集中等效电路模型有串并联结构模型、均匀传输线模型等，上述模型的参数都是固定的，属于静态模型。而在实际应用中，电缆为交流电缆，电场频率也会对电缆的电气参数产生影响，比如交流电阻。上述这些模型无法清晰地描述泄漏电流的产生，必须对XLPE电缆的泄漏电流分析模型进行改进。

有限元法是一种高效能、常用的数值计算方法，能够高效地根据设定条件对物理场进行非常复杂的计算。在电缆研究方面，“一种基于ANSYS的交联聚乙烯绝缘电缆温度场有限元计算方法”的发明专利中，利用有限元方法对XLPE电缆的温度场进行了仿真计算；“基于环境因子监测和有限元的地下电力电缆载流量在线预测系统及其方法”的发明专利中，对不同环境下电力电缆的的载流量进行了精确的预测与计算。但以上模型未涉及电缆泄漏电流，且电缆参数为固定参数，与实际电缆有所差距。考虑到电缆绝缘的参数，如电导率、复介电常数与温度、频率、电场、绝缘状态等因素相关。电缆运行状态不同，电缆绝缘的等效参数不同，电流响应情况会有所变化。因此，有必要通过对XLPE试样进行试验，将绝缘参数与运行状态结合起来，提出一种矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法以准确地分析不同运行状态下的电流响应情况，明确电缆泄漏电流随运行状态的变化规律，这对制定泄漏电流防治措施具有一定的指导意义。

发明内容

基于上述现有电缆泄漏电流的技术状况，本发明提供一种基于有限元的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法。

上述目的是通过以下具体技术方案来实现的。

一种基于有限元的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法，所述分析方法是按下列步骤进行的：

（1）以悬挂在金属锚网上的矿用电缆为建模对象，基于仿真软件COMSOL进行几何建模，模型包括导体线芯、导体屏蔽层、XLPE绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、填充带、绕包带、内护套、铠装层及外护套；

（2）以矿用电缆结构为对象，建立电场、热场分布等效模型，确定电缆各结构材料，并进行电、热参数选择，需要确定电参数的结构有导体线芯、导体屏蔽层、XLPE绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层；需要确定热参数的结构有导体线芯、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、填充带、绕包带、内护套、铠装层、外护套；

（3）选择XLPE的复介电常数实部与虚部作为电热耦合有限元分析模型中XLPE绝缘层的参数输入，通过宽频介电阻抗谱仪获得不同频率下XLPE复介电常数实部温谱与虚部温谱，并对温谱进行数据拟合得到拟合方程；

（4）将拟合方程代入绝缘层材料参数中，添加焦耳热物理场，将线芯损耗加载到模型中，并将导体屏蔽层、XLPE绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层作为焦耳热源，设置物理场边界条件；

（5）对XLPE电缆施加电压激励，进行电缆电场分析与热场分析，通过积分运算得到泄漏电流；

（6）改变电缆负荷系数以及电场频率，探究泄漏电流变化规律。

在上述技术方案中，所述模型是二维模型；所述物理场边界条件是：外界环境温度为20℃；电缆最外层取空气自然对流换热边界条件，金属屏蔽层设为地，电位为0。

本发明是基于多物理场仿真软件COMSOL利用有限元法对电热耦合作用下矿用XLPE电缆泄漏电流进行模拟计算，有限元法是一种高效能、常用的数值计算方法，可任意布置网格与节点，对物理场计算具有极大的灵活性与适应性，能比较准确地计算电缆泄漏电流，方便地探究不同运行状态下泄漏电流的变化规律。本发明具有操作简单，求解方便等优点。

本发明是基于多物理场仿真软件COMSOL利用有限元法对电热耦合作用下矿用XLPE电缆泄漏电流进行模拟计算，电缆绝缘的参数如直流电导、复介电常数，与温度、频率、电场、绝缘状态等因素相关，并非恒定，电缆运行状态不同，电缆绝缘的等效参数不同，电流响应情况会有所变化，本模型参数来源于XLPE试样实际测量结果，能够准确地分析不同运行状态下的电流响应情况。

附图说明

图1是本方法所建立的矿用电缆几何模型。

图2是本方法试验得到的XLPE不同频率下复介电常数虚部温谱。

图3是本方法所建立电缆几何模型的网格剖分图。

图4是本方法网格剖分后不同相电缆分界面剖分结果的放大细节图。

图5是本方法仿真得到的电缆电场分布图。

图6是本方法仿真得到的电缆热场分布图。

图7是本方法计算得到的不同负荷系数下的泄漏电流实部。

图8是本方法计算得到的不同电场频率下的电缆泄漏电流实部。

图9是本方法计算得到的不同电场频率下的电缆泄漏电流虚部。

图10是本方法所仿真电缆各结构的尺寸参数、热参数表图。

图11是本方法所仿真电缆XLPE外的各结构电参数表图。

图12是本方法拟合得到的不同频率下XLPE的复介电常数虚部随温度变化的拟合方程表图。

图中：1-导体线芯；2-导体屏蔽层；3-XLPE绝缘层；4-绝缘屏蔽层；5-金属屏蔽层；6-填充带；7-绕包带；8-内护套；9-铠装层；10-外护套。

具体实施方案

因为电缆在运行过程中的温度与电场在不同绝缘处是不相同的，而电缆绝缘的参数如直流电导、复介电常数随温度、电场、频率等因素变化。因此电缆绝缘对地的等效电阻与电容，会受到运行状态的影响。为了分析不同运行状态下的电缆泄漏电流响应情况，需要搭建一个电热耦合作用下的电缆模型。

下面结合附图及实施案例对本发明所涉及的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法进行详细说明。

实施本发明所提供的基于有限元的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法，该方法包括初始阶段、XLPE介电参数试验获取阶段、计算仿真阶段，在以下步骤中，第一步为电缆几何模型搭建阶段；第二步和第四步为XLPE介电参数试验获取阶段；第六步和第七步为计算仿真阶段；其包括按顺序进行的下列步骤。

（1）本方法以6/10 kV MYJV22 3×120 mm²矿用三芯XLPE电缆为研究对象，基于COMSOL仿真平台，建立电缆几何模型，如附图1所示；结合矿用电缆结构，本方法确定了电缆各结构材料，并进行了电、热参数选择，因金属屏蔽层接地，需要确定电参数的结构有导体线芯、导体屏蔽层、XLPE绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层；需要确定热参数的结构有导体线芯、导体屏蔽层、XLPE绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、填充带、绕包带、内护套、铠装层、外护套；电缆各结构的尺寸参数、热参数如附表图10所示，除XLPE外的各结构电参数如附表11所示。

（2）本方法通过将交联聚乙烯粒料放入腔体尺寸为140mm×120mm×1mm的模具中，用平板硫化机在180℃和15MPa的条件下热压30min，制成XLPE片状试样，并将XLPE片状试样裁剪成为直径为40mm，厚度约为1mm的圆片状试样。然后本方法利用宽带介电谱测试系统得到XLPE试样的介电频谱和温谱，频率和温度测试范围分别是10^-2-10⁵Hz和20℃-200℃；

（3）本方法考虑到相对介电常数在工频以上基本可以当作没有变化，因此为简化模型，将XLPE绝缘层的相对介电常数可以当作常数处理；而电缆传热过程中的热源除了导体线芯，还有XLPE绝缘层的介电损耗，介电损耗产生的热量可以影响电缆的热场分布，不可忽略。复介电常数虚部不仅包含了XLPE松弛极化信息，而且实际测量时也包含直流电导，因此，本方法选择采用试验所得到的复介电常数虚部作为电热耦合模型的参数输入。

（4）本方法提取出工频以及3、5、7、9次谐波频率下的不同温度的复介电常数虚部数据，见附图2。并进行数据拟合，得到不同频率下XLPE的复介电常数虚部随温度变化的拟合方程，拟合结果见附图3。

（5）本方法将相对介电常数设为2.25，复介电常数虚部的拟合方程代入绝缘层材料参数中，添加焦耳热物理场，将线芯损耗加载到模型中，并将导体屏蔽层、XLPE绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层作为电磁热源，设置物理场边界条件；

（6）本方法对电缆几何模型进行网格剖分，剖分方式为根据物理场进行剖分，程度为特别精细，剖分图见附图3与附图4。

（7）本方法通过对XLPE电缆施加电压激励，进行电缆电场分析与热场分析，通过对绝缘层最外层圆圈进行积分运算得到泄漏电流。

（8）本方法通过改变电缆负荷系数以及电场频率，探究泄漏电流变化规律。

上述第五步中将复介电常数虚部的拟合方程代入绝缘层材料中的具体步骤为将复介电常数虚部

转化为XLPE的交流电导率

，直接代入模型中，具体公式为

（1）

上述第五步中加载线芯损耗时，设定线芯电流基本是均匀分布的，因此在XLPE电缆的分析中不考虑导体线芯的涡流效应。线芯损耗由加载电流决定，若加载电流I，铜芯电导率为σ，铜芯半径为r，则单位长度电缆的线芯损耗为

（2）

上述第七步中因为相对介电常数设为常数，因此电容电流为定值，在探讨随线芯电流改变的变化规律时意义不大，因此在此只对泄漏电流实部进行了计算。

矿井下电缆均挂在金属网上，为模拟矿井电缆运行环境，进行了边界条件的设置。电缆外界环境温度设为20℃，电缆最外层设置为空气自然对流。导体线芯设为等势面，初始电压有效值设为10kV，金属屏蔽层设为地。

线芯电流设为MYJV22 3×120 mm²矿用三芯XLPE电缆允许载流量320A在COMSOL频域-稳态研究方式在进行仿真计算，附图5为计算得到的三相电缆电场分布图；附图6为计算得到的三相电缆热场分布图。可见，电缆绝缘内层绝缘电场强度最大，符合电场基本分布规律；在电缆标定的载流量运行条件下，电缆线芯温度达到了90.21℃，而电缆线芯允许长期工作温度为90℃，误差仅为0.21℃，这说明仿真模型参数计算正确。

电缆绝缘承受的温度与其负荷电流有着直接的关系。实际生产中，电缆过载情况时有发生。为此，本方法以载流量320A为基准，对负荷系数分别为0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4八种情况下的电缆泄漏电流进行计算。附图7为计算得到的单根电缆不同负荷系数下的单相电缆泄漏电流实部。

为探究频率对泄漏电流的影响，需要将频率作为变量进行仿真。为避免单纯将负荷电流频率升高带来线芯功耗极速升高的问题，将电缆线芯的功耗设定为工频时额定载荷的功耗，单纯改变电场频率，观察泄漏电流变化情况。附图8为仿真计算得到的单相电缆泄漏电流实部。附图9为仿真计算得到的单相电缆泄漏电流虚部。泄漏电流的实部与虚部均随着频率的升高而增大，这说明频率对泄漏电流同样有着重要影响，进行泄漏电流防治时，应考虑谐波影响。

最后应该说明的是：以上所述的仅为本发明的一个实施案例而已，并不限于本发明，本领域的技术人员可以对前述各步骤的参数进行修改和替换。此外，本发明是以金属挂钩悬挂在金属锚网上的矿用高压电缆为对象进行建模的，但阐述的分析建模方法并不限于悬挂在金属锚网上的矿用高压电缆，相关技术人员可结合具体电缆结构及其敷设方式与环境进行修改。凡在本发明的技术及原则之内，所进行的任何修改、替换及改进都应该视为在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于有限元的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法，所述分析方法是按下列步骤进行的：

（2）以矿用电缆结构为对象，建立电场、热场分布等效模型，确定电缆各结构材料，并进行电、热参数选择，需要确定电参数的结构有导体线芯、导体屏蔽层、XLPE绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层；需要确定热参数的结构有导体线芯、导体屏蔽层、XLPE绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、填充带、绕包带、内护套、铠装层及外护套；

（4）XLPE绝缘层的相对介电常数当作常数处理，将复介电常数虚部的拟合方程代入绝缘层材料参数中，添加焦耳热物理场，设定线芯电流均匀分布，分析中不考虑导体线芯的涡流效应，然后将线芯损耗加载到模型中，并将导体屏蔽层、XLPE绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层作为焦耳热源，设置物理场边界条件；

2.根据权利要求1所述的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法，所述模型是二维模型。

3.根据权利要求1所述的矿用XLPE电缆泄漏电流动态分析方法，所述物理场边界条件是：外界环境温度为20℃；电缆最外层取空气自然对流换热边界条件，金属屏蔽层设为地，电位为0。