CN107526872A - 一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法 - Google Patents

一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107526872A
CN107526872A CN201710608381.5A CN201710608381A CN107526872A CN 107526872 A CN107526872 A CN 107526872A CN 201710608381 A CN201710608381 A CN 201710608381A CN 107526872 A CN107526872 A CN 107526872A
Authority
CN
China
Prior art keywords
extra
tension cable
tension
analysis
cable model
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710608381.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107526872B (zh
Inventor
王光明
郭湘奇
付明星
储强
马宏忠
陈伟
潘伟
刘宝稳
吴书煜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
State Grid Corp of China SGCC
State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Hohai University HHU
Nanjing Power Supply Co of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Original Assignee
State Grid Corp of China SGCC
State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Hohai University HHU
Nanjing Power Supply Co of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by State Grid Corp of China SGCC, State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd, Hohai University HHU, Nanjing Power Supply Co of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd filed Critical State Grid Corp of China SGCC
Priority to CN201710608381.5A priority Critical patent/CN107526872B/zh
Publication of CN107526872A publication Critical patent/CN107526872A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107526872B publication Critical patent/CN107526872B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/16—Cables, cable trees or wire harnesses
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Abstract

本发明涉及一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法，属于专门适用于特定应用的数字计算或数据处理的设备或方法技术领域。该方法执行如下步骤：1）建立超高压电缆模型；2）施加激励，进行磁场分析；3）进行温度场分析；4）进行应力场分析，得到最终结果。本发明借助ANSYS Workbench有限元分析软件，通过耦合多物理场进行分析，即磁场、温度场和应力场，将通过磁场分析得到的导体损耗和金属护层损耗作为温度场分析的热损耗载荷，再将温度场分析的结果作为温度载荷施加到高压电缆模型上，进行应力场的分析，从而得到当前状况下准确的电缆应力大小和形变量。

Description

一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法
技术领域
本发明涉及一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法，属于专门适用于特定应用的数字计算或数据处理的设备或方法技术领域。
背景技术
随着经济建设的迅速发展，高电压长距离大截面电缆得到越来越多的广泛运用，高压电缆在运行中受到的热应力正成为导致电力电缆故障的主要原因之一，经统计，南京地区近几年的高压电缆故障，由热应力引起的故障比例已高达36.2％。但由于国内外对热应力这方面的研究甚少，因此在高压电缆故障分析的时候该原因会很容易被忽略，而将其他原因误认为是导致故障的最根本原因，从而无法了解事实真相，无法从故障中吸取经验教训来提高电缆的运行管理水平，也就无法避免下一次由热应力的作用导致电缆故障的发生。
超高压电缆作为输电环节的重要载体，电缆稳定安全运行是系统稳定的先决条件。导体温度作为电缆的关键状态参数，不仅决定电缆的最大载流能力，还威胁电缆的安全稳定运行。此外，运行温度过高，大截面的超高压电缆还会产生较大的热应力，破坏电缆结构，在电缆内部留下印痕，进而产生局部放电故障；同时，热应力会使电缆产生变形，长期运行累积的变形，会提高电缆发生事故的概率。因此，准确把握超高压电缆热应力及变形状态，制定科学合理的运维策略，降低电缆事故比例，对超高压电缆的安全运行起到关键作用。
目前，《城市电力电缆设计技术规定》中涉及电缆热应力的相关计算，但规定中给定的计算方法粗糙，只是工程经验公式，没有具体的理论支撑，无法作为电缆热应力及变形状态监测的依据。而在其他现有关于电缆的研究中，更多关注电缆温度与载流量的关系，并没有给出电缆热应力及变形的具体计算分析方法，因此急需一种运行电缆热应力及变形计算方法用于电缆运行状态监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种可以准确计算500kV超高压电缆的热应力及形变量的方法。
本发明为了解决上述技术问题提出的技术方案是：一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法，执行如下步骤：
1)将所述500kV超高压电缆通过ANSYS Workbench有限元软件建立超高压电缆模型，
所述超高压电缆模型由内到外依次为导体、绝缘层、缓冲层、金属护层和外护套；
2)对所述超高压电缆模型施加电流激励，进行磁场分析，得到所述 500kV超高压电缆的导体损耗和金属护层损耗；
在进行磁场分析时，所述超高压电缆模型的电磁边界条件为第四类电磁边界条件，所述超高压电缆模型的空气求解域边界矢量磁位为0、所述超高压电缆模型的电缆轴向两端面边界的矢量磁位为0；
3)将所述导体损耗和所述金属护层损耗作为电缆的热损耗载荷施加到超高压电缆模型上，进行温度场分析，得到超高压电缆模型的温度场分布结果；
在所述温度场分析时设定为绝热边界，法向热流密度为0，所述超高压电缆模型的外护套的表面满足第三类对热换流边界条件；所述超高压电缆模型的电缆轴向两个端面满足第二类边界条件；
4)将温度场分析结果作为温度载荷施加到所述超高压电缆模型上，进行应力场分析，最终得到超高压电缆模型的应力大小及形变量的计算结果；
在所述应力场分析中，所述超高压电缆模型的电缆轴向两个端面的边界条件是轴向位移分量为0；所述超高压电缆模型的外护套表面满足自由边界条件。
上述技术方案的改进是：建立所述超高压电缆模型的材料特性参数库，对导体、绝缘层、缓冲层、金属护层和外护套赋予相应的材料特性；
上述技术方案的改进是：运用ANSYS Workbench的网格划分功能，对所述超高压电缆模型进行自适应网格划分。
上述技术方案的改进是：步骤(2)中所述磁场分析的电流激励是施加在所述超高压电缆实体模型的导体上，电流激励的性质是工频交流电。
本发明采用上述技术方案的有益效果是：本发明借助ANSYS Workbench有限元分析软件，通过耦合多物理场进行分析，即磁场、温度场和应力场，将通过磁场分析得到的导体损耗和金属护层损耗作为温度场分析的热损耗载荷，再将温度场分析的结果作为温度载荷施加到高压电缆模型上，进行应力场的分析，从而得到500kV超高压电缆在当前状况下准确的应力大小和形变量。该方法可以根据实际敷设环境以及电缆的特点，进行模拟，得到准确的析超高压电缆的各层应力及变形分布特点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例的一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法的流程示意图。
具体实施方式
实施例
本实施例的一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法，如图1所示，执行如下步骤：
1)将所述500kV超高压电缆通过ANSYS Workbench有限元软件建立超高压电缆模型，所述超高压电缆模型由内到外依次为导体、绝缘层、缓冲层、金属护层和外护套。建立所述超高压电缆模型的材料特性参数库，对导体、绝缘层、缓冲层、金属护层和外护套赋予相应的材料特性，电缆模型的轴向长度取3m，电缆结构的其他尺寸见表1。
表1
运用ANSYS Workbench的网格划分功能，对所述超高压电缆模型进行自适应网格划分。
2)对所述超高压电缆模型施加电流激励，进行磁场分析，得到所述500kV超高压电缆的导体损耗和金属护层损耗。
在进行磁场分析时，所述超高压电缆模型的电磁边界条件为第四类电磁边界条件，即给定矢量磁位在边界上的具体数值。所述超高压电缆模型的空气求解域边界矢量磁位为0、所述超高压电缆模型的电缆轴向两端面边界的矢量磁位为0。
其中，磁场分析的电流激励是施加在电缆实体模型的导体上，电流激励的性质是工频交流电。
3)将所述导体损耗和所述金属护层损耗作为电缆的热损耗载荷施加到超高压电缆模型上，进行温度场分析，得到超高压电缆模型的温度场分布结果。其中，磁场分析所得的导体损耗和金属护层损耗的物理含义是导体和金属护层各自的单位体积产热率，作为热损耗载荷对应施加到超高压电缆模型的导体和金属护层结构中。
在所述温度场分析时设定为绝热边界，法向热流密度为0，所述超高压电缆模型的外护套的表面满足第三类对热换流边界条件即已知对热换流系数和流体温度，模型中设置对流换热系数是5.6W/(m2*℃)，流体空气温度设置为25℃。所述超高压电缆模型的电缆轴向两个端面满足第二类边界条件，即给定边界上的法向热流密度，本模型中设定为绝热边界，法向热流密度为0。
4)将温度场分析结果作为温度载荷施加到所述超高压电缆模型上，进行应力场分析，最终得到超高压电缆模型的应力大小及形变量的计算结果。在所述应力场分析中，所述超高压电缆模型的电缆轴向两个端面的边界条件是轴向位移分量为0，位移仅沿径向；所述超高压电缆模型的外护套表面满足自由边界条件，即不受任何条件约束。
本实施例的步骤(2)中所述磁场分析的电流激励是施加在所述超高压电缆实体模型的导体上，电流激励的性质是工频交流电，其有效值为2280A。
本发明所提出的方法是基于ANSYS Workbench软件，该软件二次开发接口较多，可移植性强，因此本发明提出的方法可以植入超高压电缆状态监测系统中，作为电缆热应力及变形状态监测的依据。
本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法，其特征在于执行如下步骤：
1）将所述500kV超高压电缆通过ANSYS Workbench有限元软件建立超高压电缆模型，
所述超高压电缆模型由内到外依次为导体、绝缘层、缓冲层、金属护层和外护套；
2）对所述超高压电缆模型施加电流激励，进行磁场分析，得到所述500kV超高压电缆的导体损耗和金属护层损耗；
在进行磁场分析时，所述超高压电缆模型的电磁边界条件为第四类电磁边界条件，所述超高压电缆模型的空气求解域边界矢量磁位为0、所述超高压电缆模型的电缆轴向两端面边界的矢量磁位为0；
3）将所述导体损耗和所述金属护层损耗作为电缆的热损耗载荷施加到超高压电缆模型上，进行温度场分析，得到超高压电缆模型的温度场分布结果；
在所述温度场分析时设定为绝热边界，法向热流密度为0，所述超高压电缆模型的外护套的表面满足第三类对热换流边界条件；所述超高压电缆模型的电缆轴向两个端面满足第二类边界条件；
4）将温度场分析结果作为温度载荷施加到所述超高压电缆模型上，进行应力场分析，最终得到超高压电缆模型的应力大小及形变量的计算结果；
在所述应力场分析中，所述超高压电缆模型的电缆轴向两个端面的边界条件是轴向位移分量为0；所述超高压电缆模型的外护套表面满足自由边界条件。
2.根据权利要求1所述的500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法，其特征在于：建立所述超高压电缆模型的材料特性参数库，对导体、绝缘层、缓冲层、金属护层和外护套赋予相应的材料特性。
3.根据权利要求2所述的500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法，其特征在于：运用ANSYS Workbench的网格划分功能，对所述超高压电缆模型进行自适应网格划分。
4.根据权利要求1所述的500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法，其特征在于：步骤2）中所述磁场分析的电流激励是施加在所述超高压电缆实体模型的导体上，电流激励的性质是工频交流电。
CN201710608381.5A 2017-07-24 2017-07-24 一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法 Active CN107526872B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710608381.5A CN107526872B (zh) 2017-07-24 2017-07-24 一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710608381.5A CN107526872B (zh) 2017-07-24 2017-07-24 一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107526872A true CN107526872A (zh) 2017-12-29
CN107526872B CN107526872B (zh) 2020-11-20

Family

ID=60680049

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710608381.5A Active CN107526872B (zh) 2017-07-24 2017-07-24 一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107526872B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108108511A (zh) * 2017-11-07 2018-06-01 国网江苏省电力公司盐城供电公司 一种电缆机械效应的有限元分析方法
CN108319784A (zh) * 2018-02-05 2018-07-24 三峡大学 一种基于热疲劳的电缆线路钢支架全寿命周期成本评估方法
CN108416097A (zh) * 2018-02-01 2018-08-17 华南理工大学 地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法
CN109063245A (zh) * 2018-06-25 2018-12-21 国网江苏省电力有限公司南京供电分公司 一种基于热力耦合的220kV大截面电缆热致伸缩特性计算方法
CN109461296A (zh) * 2018-12-20 2019-03-12 广东电网有限责任公司 电网输电线路预警系统及方法
CN111027246A (zh) * 2019-12-04 2020-04-17 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104133933A (zh) * 2014-05-29 2014-11-05 温州职业技术学院 一种高超声速飞行器热环境下气动弹性力学特性分析方法
CN104899379A (zh) * 2015-06-10 2015-09-09 国网河南省电力公司电力科学研究院 基于ansys的交联聚乙烯绝缘电缆温度场有限元计算方法
CN106326572A (zh) * 2016-08-26 2017-01-11 国网四川省电力公司电力科学研究院 一种电缆接头实时载流量计算方法
CN106569111A (zh) * 2016-10-28 2017-04-19 桂林理工大学 电工绝缘薄膜脉冲电压加速老化实验电磁作用力产生方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104133933A (zh) * 2014-05-29 2014-11-05 温州职业技术学院 一种高超声速飞行器热环境下气动弹性力学特性分析方法
CN104899379A (zh) * 2015-06-10 2015-09-09 国网河南省电力公司电力科学研究院 基于ansys的交联聚乙烯绝缘电缆温度场有限元计算方法
CN106326572A (zh) * 2016-08-26 2017-01-11 国网四川省电力公司电力科学研究院 一种电缆接头实时载流量计算方法
CN106569111A (zh) * 2016-10-28 2017-04-19 桂林理工大学 电工绝缘薄膜脉冲电压加速老化实验电磁作用力产生方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108108511A (zh) * 2017-11-07 2018-06-01 国网江苏省电力公司盐城供电公司 一种电缆机械效应的有限元分析方法
CN108416097A (zh) * 2018-02-01 2018-08-17 华南理工大学 地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法
CN108319784A (zh) * 2018-02-05 2018-07-24 三峡大学 一种基于热疲劳的电缆线路钢支架全寿命周期成本评估方法
CN108319784B (zh) * 2018-02-05 2021-06-04 武汉大云物移智科技有限公司 一种基于热疲劳的电缆线路钢支架全寿命周期成本评估方法
CN109063245A (zh) * 2018-06-25 2018-12-21 国网江苏省电力有限公司南京供电分公司 一种基于热力耦合的220kV大截面电缆热致伸缩特性计算方法
CN109461296A (zh) * 2018-12-20 2019-03-12 广东电网有限责任公司 电网输电线路预警系统及方法
CN111027246A (zh) * 2019-12-04 2020-04-17 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107526872B (zh) 2020-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107526872A (zh) 一种500kV超高压电缆的热应力及形变量的计算方法
CN105222909B (zh) 电力电缆中间接头温度计算方法
CN104330659B (zh) 一种基于电缆传热模型的准动态增容方法
CN108319781B (zh) 一种基于多物理场的gis/gil内部绝缘件优化方法
CN102694358B (zh) 改善污秽潮湿环境下输电线路中绝缘子电位分布的方法
CN106202610A (zh) 一种基于ansys cfx的架空线径向温度场仿真方法
CN115561564B (zh) 一种电缆接头动态载流量的arima序列预测方法
CN110633496A (zh) 一种基于热-力耦合模型的锂离子电池放电过程中热应力和温度的确定方法
CN105205202A (zh) 一种载流量计算方法
CN109167362B (zh) 一种计及电缆热特性的配电网潮流计算方法
CN106934096B (zh) 一种基于架空导线表面温度求解钢芯温度的方法
CN107944079B (zh) 基于转移矩阵的排管敷设三相电缆群温升快速获取方法
Yoon et al. An estimation technology of temperature rise in GIS bus bar using three-dimensional coupled-field multiphysics
Fu et al. Parameter identification for current–temperature relationship of contact wire under natural convection
CN107577841A (zh) 超负荷运行的光纤复合海底电缆温度特性分析方法
CN103077311B (zh) 高压架空输电导线断股后剩余截面温升峰值的预测方法
CN102856884B (zh) 基于热积累的变频器过载方法
CN106096304A (zh) 一种电力电缆应急负荷载流量的计算方法
Feng et al. Study of intelligent overloading in power delivery systems
Bo et al. Study on improving the current carrying capacity of power cable in real-time operating environment
Zhang et al. 2-D coupled fluid-thermal analysis of oil-immersed power transformers based on finite element method
Zhang et al. Optimization algorithm of inverse problem for a power‐frequency electric field
CN109063245B (zh) 一种基于热力耦合的220kV大截面电缆热致伸缩特性计算方法
CN108153940A (zh) 基于叠加原理的oplc热路模型建模方法
Fu et al. On-line Computation of the Underground Power Cable Core's Temperature and Ampacity based on FEM and Environment Detection

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant