CN109190277A - 高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压电缆接头防爆装置的技术领域，更具体地，涉及高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，包括：采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真软件，构建不同类型泄能孔防爆装置的模型，采用热‑流‑固多物理场耦合的方式，计算不同半径的泄能孔设计时对应的防爆腔体内部最大气流速度和压力分布状况；通过最小二乘法，按照指数函数规律拟合得到防爆装置内部最大压力和泄能孔尺寸的函数关系；综合考虑减小防爆装置内部最大压力和降低泄能孔喷射气流等造成二次伤害两项因素，设计最优化的泄能孔开口半径。本发明可优化高压电缆接头防爆装置泄能孔尺寸设计，节省试验成本，提高保护精度，为防爆装置设计提供了可靠的理论计算方法。

Description

高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法

技术领域

本发明涉及高压电缆接头防爆设计的技术领域，更具体地，涉及高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法。

背景技术

为了防止电力电缆中间接头发生绝缘击穿，引发电力电缆中间接头爆炸事故，造成线路跳闸断电，必须采用电力电缆中间接头防爆装置。行业有规定明确指出：非直埋电缆接头的最外层应包覆阻燃材料，充油电缆接头及敷设密集的中压电缆的接头应用耐火防爆盒封闭。电力电缆中间接头防爆装置选用阻燃材料压制而成，每两块合起来包覆电力电缆中间接头，使电力电缆中间接头能够与外界隔开。为了使高压气体及时释放且隔绝弧光，采用预留缓冲空间，同时可在其外壳预留一定数量的气体排放孔，实施减压释放。

当保护装置为密封环境时，由于电弧放电产生的大量能量无法释放，对保护装置的结构稳定性提出了巨大考验，因此，需要设计泄能孔，以及时释放电弧瞬间产生的能量。目前在实际运用中，电力电缆中间接头防爆装置泄能孔的设计主要分为两种，一种是电力电缆中间接头防爆装置外壳居中往两侧的凸面上预留两个开口较大的泄能孔，另一种是在装置外壳表面同时预留多个开口较小的泄能孔，如图1所示。在实际应用中，同时设置多个泄能孔设计更为繁琐，且不利于防水，难以达到预期的保护效果。以往采用两个开口较大的泄能孔方案的开口半径对开口半径的研究基本依靠厂家经验，在实际应用中存在较大的偏差，无法取得保护效果最优化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，为泄能孔的开口半径设计提供理论依据和计算方法，解决目前泄能孔设计主要靠经验估计、缺少理论依据和设计方法的难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，所述方法包括以下步骤：

S1.根据附件厂家生产附件各部位的几何参数以及材料承受的电场强度，建立高压电缆接头防爆装置的热-流-固物理模型；

S2.对步骤S1中所述的高压电缆接头防爆装置的热-流-固物理模型进行多物理场的耦合，并采用多层迭代算法进行求解；

S3.仿真不同开口半径的泄能孔开口处在不同时间点的气流速度和腔体内最大气压；

S4.对步骤S3中仿真得到的腔体内最大气压值进行最小二乘法拟合得到开孔尺寸与腔体内最大气压值之间的拟合曲线，并根据拟合曲线计算最佳开孔尺寸。

本发明的高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，采用多物理场耦合的方法计算防爆腔体内部不同时刻气体的气流速度和绝对压强分布，进而对不同高压电力电缆接头防爆装置泄能孔开口半径承受的压强进行仿真计算，准确得出任意开口半径与腔体内最大气压值之间的函数关系，从而确定最佳开口半径，有效优化了高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径设计，节省试验成本，提高保护精度，为防爆装置设计提供了可靠的理论计算方法。

优选地，步骤S1中，采用多物理场耦合时，设置有若干假设条件，包括：

假设防爆装置未泄能时气密性很好，不存在在气体膨胀过程中泄漏的情况；

忽略电缆接头绝缘击穿通道内电弧对两端铜导体和周围绝缘介质的烧蚀，即不考虑金属蒸气和有机蒸汽掺杂到气体后对气体密度的影响。

电缆接头一旦出现短路电弧，其能量值将迅速达到稳态，保持稳定的热源产生能量。电弧产生后，由于电弧周围温度迅速升高，并将电缆烧穿，直接与空气接触，忽略剩下的电缆材料对整个爆炸过程中微弱作用。基于以上假设，采用多物理场耦合问题，其实质是多物理场之间的信息传递问题，包括场源耦合、流耦合以及属性耦合。

优选地，步骤S2中，所述多物理场包括电缆接头的电磁场、热场、流场以及应力场。电磁场与温度场之间传递的信息包括电导率和热量，温度场和流场之间传递的信息包括动力粘度和温度，流场和应力场之间传递的信息包括流体压力、速度和压力，应力场和温度场之间传递的信息包括热应力分布和温度分布。

优选地，在对多物理场的耦合进行仿真时，温度场所采用的边界条件为最外层设置为物体表面与周围环境进行的对流交换系数，有孔设置为开边界。流场的边界条件是设置孔的边界条件为出口，其他边界设置为壁。针对高压电缆接头绝缘击穿电弧动力学模型所需求解方程组之间相互耦合作用的特点，本发明采用三层迭代算法进行求解。具体步骤如下：

S21.根据热源、温度、初始标准大气压，计算热源单位时间释放的能量；

S22.在流场中根据热源产生的和施加的边界条件，求解空气计算区域的温度、密度以及速度；

S23.判断相邻两个流场及计算值是否满足控制精度要求，若不满足，令迭代次数L＝L+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S24.将由流场分析模型中计算得到的压强载入固体力学，并结合边界条件计算得到腔体内壁承受的应力值；

S25.判断相邻两次迭代计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足，根据计算得到的温度、压强分布情况更新流体的物性参数，同时令迭代次数m＝m+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S26.再计算温度场和流场，重复上述步骤S21～S24，直至相邻两次迭代计算三个物理场计算结果差值均满足控制精度要求；

S27.程序将跳出内层物理场求解变量的收敛迭代过程，时间步长迭代次数n＝n+1进入下一个求解过程，直至时间步迭代数达到预设定的步数N时，程序完成外层时间步迭代，计算结束。

优选地，步骤S25中所述流体为气体。

优选地，步骤S4中，高压电缆防爆装置泄能孔的开口部位的确定方法包括：

S41.对步骤S3中仿真得到的腔体内最大气压值采用matlab软件进行最小二乘法拟合得到开孔尺寸与腔体内最大气压值之间的拟合曲线；

S42.对开口半径与腔体内最大气压值之间的函数公式进行求导，带入不同的开口半径，得到开口半径对应的内部最大气压值的变化斜率；

S43.根据开口半径与腔体内最大气压值的拟合曲线可得出最大气压值变化斜率的阈值，所述阈值对应的开口半径确定为最佳开口半径。

随着开孔半径的增大，腔体内的最大气压值呈下降趋势，说明开口半径越大，泄能效果越好。采样上述步骤获得的泄能孔的开口半径：开口半径够大，能够充分满足泄能效果的需求；开口半径不会过大，避免对周围环境造成破坏。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，采用COMSOLMultiphysics仿真软件，利用热-流-固多物理场耦合的有限元计算方法，基于三层迭代算法得到防爆腔体内部不同时刻气体的气流速度和绝对压强分布，进而对不同高压电力电缆接头防爆装置泄能孔开口半径承受的压强进行仿真计算，准确得出任意开孔半径与腔体内最大气压值之间的函数关系，从而确定最佳开口半径，有效优化了高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径设计，节省试验成本，提高保护精度，为防爆装置设计提供了可靠的理论计算方法。

附图说明

图1为本发明现有的金属型防爆装置端头的结构示意图。

图2为高压电缆接头防爆装置的二维泄能孔侧径向界面结构图。

图3为多物理场耦合的耦合作用形式。

图4为不同泄能孔的气流速度和压强分布变化情况：(a)三维结构下泄能孔气流速度随开口半径的变化情况；(b)二维轴截面保护装置内部绝对气压随开孔半径变化情况。

图5为腔体内部最大气压值与开口半径的拟合曲线示意图。

图6为防爆装置设不同开口半径泄能孔时内部气流随开口半径的变化情况。

图7为泄能孔气流速度随开口半径的变化情况。

图8为防爆装置设不同开口半径泄能孔时内部绝对气压随开口半径的变化情况：(a)二维轴截面保护装置内部绝对气压随开口半径变化情况；(b)内部最大气压随开口半径变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

如图2至图8所示为本发明的高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法的实施例，包括以下步骤：

S1.采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真软件，根据附件厂家生产附件各部位的几何参数以及材料承受的电场强度，建立高压电缆接头防爆装置的热-流-固物理模型；

S2.对步骤S1中所述的高压电缆接头防爆装置的热-流-固物理模型进行多物理场的耦合，并采用多层迭代算法进行求解，计算不同尺寸的泄能孔设计时对应的防爆腔体内部最大气流速度和压力分布状况；

S3.仿真不同开口半径的泄能孔开口处在不同时间点的气流速度和腔体内最大气压；

S4.对步骤S3中仿真得到的腔体内最大气压值进行最小二乘法拟合得到开孔尺寸与腔体内最大气压值之间的拟合曲线，并根据拟合曲线计算最佳开孔尺寸。

本实施例在实施时，参考实际200kV XLPE绝缘高压交流电缆附件各部位的几何参数，根据国内附件厂家生产附件原型以及材料承受的电场强度，运用COMSOL Multiphysics仿真软件提供的绘图工具建立仿真模型，将保护装置的泄能孔设置为不同开口半径，观察开口半径不同时的气流扩散速度，同时在泄能孔处设置相应物理场的边界条件，以探究最优开口半径。在确定开口半径时，将上下泄能孔同时设置。该设置可以解决电缆电弧可能产生位置随意性导致泄能孔泄压效果不够明显的缺陷。如图2所示为二维泄能孔侧径向界面结构图。

步骤S1中，采用多物理场耦合时，设置有若干假设条件，包括：

假设防爆装置未泄能时气密性很好，不存在在气体膨胀过程中泄漏的情况；

忽略电缆接头绝缘击穿通道内电弧对两端铜导体和周围绝缘介质的烧蚀，即不考虑金属蒸气和有机蒸汽掺杂到气体后对气体密度的影响。

电缆接头一旦出现短路电弧，其能量值将迅速达到稳态，保持稳定的热源产生能量。电弧产生后，由于电弧周围温度迅速升高，并将电缆烧穿，直接与空气接触，忽略剩下的电缆材料对整个爆炸过程中微弱作用。基于以上假设，采用多物理场耦合问题，其实质是多物理场之间的信息传递问题，包括场源耦合、流耦合以及属性耦合。

步骤S2中，所述多物理场包括电缆接头的电磁场、热场、流场以及应力场。电磁场与温度场之间传递的信息包括电导率和热量，温度场和流场之间传递的信息包括动力粘度和温度，流场和应力场之间传递的信息包括流体压力、速度和压力，应力场和温度场之间传递的信息包括热应力分布和温度分布，如图3所示。

在对多物理场的耦合进行仿真时，温度场所采用的边界条件为：最外层设置为物体表面与周围环境进行的对流交换系数，有孔设置为开边界。流场的边界条件是：设置孔的边界条件为出口，其他边界设置为壁。针对高压电缆接头绝缘击穿电弧动力学模型所需求解方程组之间相互耦合作用的特点，采用三层迭代算法进行求解：

S21.根据热源、温度、初始标准大气压，计算热源单位时间释放的能量；

S22.在流场中根据热源产生的和施加的边界条件，求解空气计算区域的温度、密度以及速度；

S23.判断相邻两个流场及计算值是否满足控制精度要求，若不满足，令迭代次数L＝L+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S24.将由流场分析模型中计算得到的压强载入固体力学，并结合边界条件计算得到腔体内壁承受的应力值；

S25.判断相邻两次迭代计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足，根据计算得到的温度、压强分布情况更新流体(气体)的物性参数，同时令迭代次数m＝m+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S26.再计算温度场和流场，重复上述步骤S21～S24，直至相邻两次迭代计算三个物理场计算结果差值均满足控制精度要求；

S27.程序将跳出内层物理场求解变量的收敛迭代过程，时间步长迭代次数n＝n+1进入下一个求解过程，直至时间步迭代数达到预设定的步数N时，程序完成外层时间步迭代，计算结束。

步骤S3中，通过对不同时间点保护装置内部气流速度以及压强分布进行仿真，将高压电缆接头配套保护装置泄能孔设置不同半径，观察当热源产生大量能量时，不同尺寸的泄能孔对应的气流速度和压强分布变化情况。泄能孔处气流随开口半径变化情况和高压电缆接头防爆保护装置内部绝对气压变化情况如图4所示。

步骤S4中，高压电缆防爆装置泄能孔的开口部位的确定方法包括：

S41.对步骤S3中仿真得到的腔体内最大气压值采用matlab软件进行最小二乘法拟合得到开孔尺寸与腔体内最大气压值之间的拟合曲线，如图5所示；

S42.对开口半径与腔体内最大气压值之间的函数公式进行求导，带入不同的开口半径，得到开口半径对应的内部最大气压值的变化斜率；

S43.根据开口半径与腔体内最大气压值的拟合曲线可得出最大气压值变化斜率的阈值，所述阈值对应的开口半径确定为最佳开口半径。

本实施例设置热源功率为2.37×10¹⁵W/m³以做具体说明：

设置热源功率为2.37×10¹⁵W/m³，通过将高压电缆接头防爆装置泄能孔设置不同尺寸，得到该条件下70ms时的内部气流随开孔半径变化情况如图6所示。由图6可以发现，到70ms时，开孔半径为10cm的泄能孔最大速度约为62m/s。70ms时内泄能孔处气流速度随开口半径变化情况如图7所示。

通过对开口半径与气流速度进行最小二乘法拟合，得到开口半径与内部气流速度间的函数关系：

V＝314.9e^-0.2965r+24.44e^0.04738r

由图8可知，随着开口半径的增大，泄能孔的气流速度呈下降趋势。当开口半径为2cm，70ms时泄能孔泄能速度高达200m/s。并在开口半径为8cm时，泄能孔速度约65m/s。当开孔半径进一步扩大时，泄能速度下降趋势变缓。同理，可得高压电缆接头防爆保护装置内部绝对气压变化情况如图8所示。

通过对开口半径与腔体内部最大气压值采用matlab软件进行最小二乘法拟合，得到开孔半径与内部气压的下述函数关系：

P＝14.7×10⁵e^-0.5055r+1.302×10⁵e^-0.01548r

由图8可知，将保护装置设计泄能孔时，内部气压明显降低，图中给出了不同开口半径下保护装置的内部气压。当开口半径在2cm时，内部绝对压力仍然过大。通过对上述公式进行求导代入拟合曲线可得，在r＝7、8和9时，其曲线斜率约为-0.234～0.0961×10⁵，表明在此范围内的最大气压值已经趋向于稳定值，即内部气压变化程度不显著。图8中可以看出开孔半径为8cm可作为腔体内最大气压值随开孔半径的变化趋势由大变小的临界值。即当开孔半径为8cm时，腔体内部平均气压约1.2×10⁵pa内部气压下降开始放缓，可能原因是内部热效应占主导地位，即使一部分气体泄能出去，在热源附近温度仍然很高，气压较高。因此，高压电缆接头防爆保护装置开孔半径建议可选择为8cm。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1.根据附件厂家生产附件各部位的几何参数以及材料承受的电场强度，建立高压电缆接头防爆装置的热-流-固物理模型；

S2.对步骤S1中所述的高压电缆接头防爆装置的热-流-固物理模型进行多物理场的耦合，并采用多层迭代算法求解；

S3.仿真不同开口半径的泄能孔开口处在不同时间点的气流速度和腔体内最大气压；

S4.对步骤S3中仿真得到的腔体内最大气压值进行最小二乘法拟合得到开孔尺寸与腔体内最大气压值之间的拟合曲线，并根据拟合曲线计算最佳开孔尺寸。

2.根据权利要求1所述的高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，其特征在于，步骤S1中，采用多物理场耦合时，设置有若干假设条件，包括：

假设防爆装置未泄能时气密性很好，不存在在气体膨胀过程中泄漏的情况；

忽略电缆接头绝缘击穿通道内电弧对两端铜导体和周围绝缘介质的烧蚀，即不考虑金属蒸气和有机蒸汽掺杂到气体后对气体密度的影响。

3.根据权利要求1所述的高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，其特征在于，步骤S2中，所述多物理场包括电缆接头的电磁场、热场、流场以及应力场。

4.根据权利要求1至3任一项所述的高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，其特征在于，步骤S2按以下步骤实施：

S21.根据热源、温度、初始标准大气压，计算热源单位时间释放的能量；

S22.在流场中根据热源产生的和施加的边界条件，求解空气计算区域的温度、密度以及速度；

S23.判断相邻两个流场及计算值是否满足控制精度要求，若不满足，令迭代次数L＝L+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S24.将由流场分析模型中计算得到的压强载入固体力学，并结合边界条件计算得到腔体内壁承受的应力值；

S25.判断相邻两次迭代计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足，根据计算得到的温度、压强分布情况更新流体的物性参数，同时令迭代次数m＝m+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S26.再计算温度场和流场，重复上述步骤S21～S24，直至相邻两次迭代计算三个物理场计算结果差值均满足控制精度要求；

S27.程序将跳出内层物理场求解变量的收敛迭代过程，时间步长迭代次数n＝n+1进入下一个求解过程，直至时间步迭代数达到预设定的步数N时，程序完成外层时间步迭代，计算结束。

5.根据权利要求4所述的高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，其特征在于，步骤S25中所述流体为气体。

6.根据权利要求1所述的高压电缆接头防爆装置泄能孔开口半径的仿真方法，其特征在于，步骤S4中，高压电缆防爆装置泄能孔的开口部位的确定方法包括：

S41.对步骤S3中仿真得到的腔体内最大气压值采用matlab软件进行最小二乘法拟合得到开孔尺寸与腔体内最大气压值之间的拟合曲线；

S42.对开口半径与腔体内最大气压值之间的函数公式进行求导，带入不同的开口半径，得到开口半径对应的内部最大气压值的变化斜率；

S43.根据开口半径与腔体内最大气压值的拟合曲线可得出最大气压值变化斜率的阈值，所述阈值对应的开口半径确定为最佳开口半径。