CN109063245A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明涉及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，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。该方法步骤如下：1）根据所述的220kV大截面电缆所用型号进行初步的电缆物理结构的确定；2）根据步骤1）中的电缆物理结构建立相应的大截面电缆物理模型；3）计算所述220kV大截面电缆的导体损耗和金属护层损耗；4）将所述导体损耗和所述金属护层损耗施加到大截面电缆模型上，进行有限元热场分析；5）进行应力场分析，得到分布特点。该方法可以根据大截面电缆实际敷设环境以及大截面电缆的工况特点，进行模拟，得到准确的大截面电缆的热致伸缩特性。

Description

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
技术领域
本发明涉及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，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
随着城市电网容量需求不断变大，高电压长距离大截面电缆得到越来越多的广泛运用，大截面电缆因输送容量较大而导致其电缆各层温升变化较大，尤其是电缆线芯导体发热严重，大截面运行电缆的热致伸缩特性不可忽视。此外，大截面电缆线路长度一般可达十几km甚至几十km，因此大截面电缆的热致伸缩特性在长度上的累积效应也更为严重，巨大的伸缩量将导致电缆及其附件疲劳损伤，甚至会引起电缆弯曲变形进而拱起，影响大截面电缆安全稳定运行。同时，负载波动、巨大的日间及年内环境温差、不同敷设方式下复杂多变的通风散热条件及光照辐射条件等，均会导致大截面电缆热致伸缩问题更为复杂。近几年的高压电缆故障，由热应力引起的电缆故障比例已高达36.2％。但由于国内外对大截面电缆热致伸缩特性分析计算的相关研究甚少，大截面电缆热致伸缩特性研究的缺失已成为大截面电缆工程应用的重要制约因素，计算大截面电缆热致伸缩特性对大截面电缆设计与安全可靠运行具有重要意义。
目前关于电缆热伸缩特性的研究均是以城市电力电缆设计技术规定为参考，规定中，针对运行电缆的热伸缩量，规定中给出的计算公式如下：
t表示导体的温升量，α表示电缆的线膨胀系数，L表示电缆长度，μ表示摩擦系数，W表示电缆单位长度的重量，f表示电缆的反作用力，A表示电缆导体截面，E表示电缆的杨氏模量。由规定计算得到的是电缆整体的热伸缩量，实际电缆各层材料的力学特性各不相同，因而运行电缆各层结构的热伸缩量并不相同。此外，规定给出的经验公式仅能得到电缆粗略的热伸缩量，但不能反映电缆不同位置的具体热伸缩变化特点。
针对规定所提公式的计算不足，提出建立大截面电缆热伸缩量的热力耦合有限元计算方法。所提方法不仅可以准确计算大截面电缆各层结构在不同运行状态下的热伸缩量，同时可以掌握大截面电缆不同结构的热伸缩变化特点，根据所得大截面电缆的热伸缩量数值和变化特点，制定相应运维策略，采取科学有效措施降低电缆过热状态发生的概率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种基于热力耦合的220kV大截面电缆热致伸缩特性计算方法。
本发明为了解决上述技术问题提出的技术方案是：一种基于热力耦合的220kV大截面电缆热致伸缩特性计算方法，步骤如下：
1)根据所述的220kV大截面电缆所用型号进行初步的电缆物理结构的确定；
2)根据步骤1)中的电缆物理结构建立相应的大截面电缆物理模型，
所述大截面电缆物理模型是用过ANSYS Workbench有限元软件建立，所述大截面电缆物理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；
3)根据所述大截面电缆物理模型按照IEC60287标准计算所述220kV大截面电缆的导体损耗和金属护层损耗；
4)将所述导体损耗和所述金属护层损耗施加到大截面电缆模型上，进行有限元热场分析，得到所述大截面电缆物理模型的温度场分布结果；
所述热场分析的边界条件为，
a.在所述热场分析时所述大截面电缆物理模型的轴向两个端面设定为绝热边界；
b.所述端面的法向热流密度为0；
c.所述外护套的表面满足对流换热边界条件；
5)所述温度场分布结果作为温度载荷耦合到所述大截面电缆物理模型上，再进行应力场分析，得到所述大截面电缆物理模型的轴向热应变大小及其分布特点；
在所述应力场分析中，所述大截面电缆物理模型的电缆轴向两个端面的边界条件是自由边界条件；所述大截面电缆物理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：在步骤1)中建立所述大截面电缆物理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。
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，通过热场和应力场耦合分析计算，将根据IEC60287标准计算得到的导体损耗和金属护层损耗作为热场模型的热损耗载荷，再将热场模型的结果作为温度载荷施加到大截面电缆应力场模型上，进行应力场的分析，从而得到当前工况下准确的电缆轴向热应变大小及其分布特点。该方法可以根据大截面电缆实际敷设环境以及大截面电缆的工况特点，进行模拟，得到准确的大截面电缆的热致伸缩特性。
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基于热力耦合的220kV大截面电缆热致伸缩特性计算方法的流程示意图。
图2本发明实施例的大截面电缆轴向热应变计算结果图。
具体实施方式
实施例
本实施例的一种基于热力耦合的大截面电缆热致伸缩特性计算方法，如图1所示，执行如下步骤：
1)将所述220kV大截面电缆通过ANSYS Workbench有限元软件建立大截面电缆物理模型，所述大截面电缆物理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；建立所述大截面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，对所述大截面电缆模型进行自适应网格划分。
2)根据IEC60287标准计算所述大截面电缆的电磁损耗，得到所述220kV大截面电缆的导体损耗和金属护层损耗。
在已知电缆运行电流、金属护层接地方式的前提下，根据IEC60287标准给出的导体损耗和金属护层损耗计算公式，可以计算得到相应工况条件下电缆导体损耗和金属护层损耗大小。
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大截面电缆模型上，进行热场分析，得到大截面电缆模型的温度场分布结果；其中，根据IEC60287标准计算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大截面电缆模型的导体和金属护层结构中。
在所述热场分析时所述大截面电缆模型的轴向两个端面设定为绝热边界，法向热流密度为0，所述大截面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℃。
4)将热场分析结果作为温度载荷耦合到所述大截面电缆模型上，进行应力场分析，最终得到大截面电缆模型的轴向热应变大小及其分布特点；
在所述应力场分析中，所述大截面电缆模型的电缆轴向两个端面的边界条件是自由边界条件，即不存在任何外力和位移条件约束；所述大截面电缆模型的外护套表面满足自由边界条件。
当大截面电缆运行电流所取电流为2250A，导体温度达到90℃时，根据本发明所提出的方法，计算得到大截面电缆轴向热应变分布结果如图2所示。
从图2可以看出，当大截面电缆运行电流所取电流为2250A，导体温度达到90℃时，根据本发明所提出的方法，计算得到长度为3m的大截面电缆各层结构轴向热应变分布结果如图2所示。从图中可知，导体温度为90℃时，电缆最大轴向热伸缩量为2.09mm，此外，电缆不同位置的热伸缩量大小不同，中间位置电缆热伸缩量最大，由中间向两边伸缩量依次减小。因此，当电缆热伸缩量达到2.1mm时，电缆导体温度处于90℃，此时电缆处于过热状态，因此需要对电缆进行降温处理，比如降低电缆运行的负荷电流大小；对电缆进行散热处理，根据电缆热伸缩特点，重点对电缆中间位置进行降温处理，可有效降低电缆热伸缩量，减少电缆处于过热运行状态的时间。
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 (2)

1.一种基于热力耦合的220kV大截面电缆热致伸缩特性计算方法，其特征在于步骤如下：
1)根据所述的220kV大截面电缆所用型号进行初步的电缆物理结构的确定；
2)根据步骤1)中的电缆物理结构建立相应的大截面电缆物理模型，所述大截面电缆物理模型是用过ANSYS Workbench有限元软件建立，所述大截面电缆物理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；
3)根据所述大截面电缆物理模型按照IEC60287标准计算所述220kV大截面电缆的导体损耗和金属护层损耗；
4)将所述导体损耗和所述金属护层损耗施加到大截面电缆模型上，进行有限元热场分析，得到所述大截面电缆物理模型的温度场分布结果；
所述热场分析的边界条件为，
a.在所述热场分析时所述大截面电缆物理模型的轴向两个端面设定为绝热边界；
b.所述端面的法向热流密度为0；
c.所述外护套的表面满足对流换热边界条件；
5)所述温度场分布结果作为温度载荷耦合到所述大截面电缆物理模型上，再进行应力场分析，得到所述大截面电缆物理模型的轴向热应变大小及其分布特点；
在所述应力场分析中，所述大截面电缆物理模型的电缆轴向两个端面的边界条件是自由边界条件；所述大截面电缆物理模型的外护套表面满足自由边界条件。
2.根据权利要求1所述的基于热力耦合的220kV大截面电缆热致伸缩特性计算方法，其特征在于：在步骤1)中建立所述大截面电缆物理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。
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