CN109408874B - 高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法 - Google Patents
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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的端头部位弯曲弧度仿真方法,包括:利用电场、温度场、流场和位移场耦合的有限元仿真方法,基于三层迭代算法得到防爆腔体内部不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布和腔体内壁承受的应力值;对不同曲率半径的弧形端头内壁承受的压强和应力进行计算,准确得出内部端头处各连接点的最大应力值,从而选取承受应力最小的弧度。本发明能够优化高压电缆接头防爆装置保护壳弯曲弧度设计,为防爆装置的设计提供可靠的理论仿真方法。
Description
技术领域
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的端头部位弯曲弧度仿真方法。
背景技术
电力电缆长期运行在高电压、大电流下,有可能因过载、绝缘老化以及接头故障等原因导致电缆附件绝缘诸多薄弱环节和缺陷的存在,若这些部位在高电压下出现高场强,一旦局部电场超过空气的绝缘强度,极易引发局部放电的发生。局部放电会使绝缘介质被分解,并产生具有导电性的碳粒痕迹。当发生绝缘电弧击穿时,电缆导体瞬间对地短路将在绝缘击穿通道内释放巨大能量,最终导致电缆接头的绝缘介质烧毁、爆炸事故发生。当爆炸发生产生的巨大能量迅速释放,产生的冲击波或爆炸碎片对周围人及建筑装置存在巨大安全隐患。因而,需要在高压电缆接头处加装防爆装置以避免电缆接头爆炸而引起的二次伤害。
目前,市场上已开发一系列的金属型电缆接头防爆装置以降低此爆炸事故带来的危害,但这些防爆装置都存在内部压力不均衡的问题,尤其是在防爆装置端头部位。由于现有的金属型防爆装置端头处需要收缩以匹配电缆接头的外径如图1所示。当电缆接头发生爆炸时,巨大的电弧能量冲击防爆装置内壁,对装置内部产生的冲击力将在端头部位产生畸变,造成端头部位承受的冲击应力远大于其他部位,使得端头部位更容易被炸裂。
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的端头部位弯曲弧度仿真方法,基于多物理场耦合计算端头部位弯曲弧度,提高高压电缆防爆装置的防爆性能。
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的端头部位弯曲弧度仿真方法,所述高压电缆接头防爆装置设有防爆腔体;所述方法包括以下步骤:
S1. 利用多物理场耦合的有限元仿真方法,基于迭代算法得到防爆腔体内不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布和腔体内壁承受的应力值;
S2. 对不同曲率半径的弧形端头内壁压强分布和腔体内壁承受的应力值进行计算,计算分析得到端头部位各连接点的最大应力值;
S3. 比较分析步骤S2中端头部位各连接点的最大应力值,选取内壁承受应力最小的弧度,即为端头部位弯曲弧度。
本发明的高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法,利用电场、温度场、流场和位移场耦合的有限元仿真方法,基于三层迭代算法得到防爆腔体内部不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布和腔体内壁承受的应力值;对不同曲率半径的弧形端头内壁承受的压强和应力进行计算,准确得出内部端头各连接点的最大应力值,选取承受应力最小的弧度,优化高压电缆接头防爆装置弯曲弧度设计,从而提高高压电缆防爆装置的防爆性能。
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S1中,多物理场耦合的有限元仿真方法采用仿真软件实现,所述仿真软件包括COMSOL、ANSYS。
优选地,步骤S1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,步骤S1按以下步骤实施:
S11. 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;
S12. 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;
S13. 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;
S14. 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;
S15. 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;
S16. 再计算温度场和流场,重复上述步骤S11~S14,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;
S17. 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。
通过以上步骤,能够计算防爆腔体内不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布和腔体内壁承受的应力值。
优选地,步骤S15中所述流体为气体。
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的端头部位弯曲弧度仿真方法,基于多物理场耦合有限元分析的方法对防爆装置端头处的弯曲弧度进行设计,能够通过计算结果选择合适的防爆装置端头处的弯曲弧度,有效降低防爆装置内壁的最大应力值,提高高压电缆防爆装置的防爆性能。
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为本发明的多物理场耦合的耦合作用形式。
图3为实施例一高压电缆接头防爆装置内部气体受热膨胀变化过程。
图4为实施例一高压电缆接头防爆装置内部气体受热密度变化过程。
图5为实施例一高压电缆接头防爆装置内部气体气流速度变化情况。
图6为实施例一高压电缆接头防爆装置内部气压变化情况。
图7为实施例一高压电缆接头防爆装置三维保护装置应力分布云图。
图8为实施例一高压电缆接头防爆装置示意图。
图9为图8中弧长1在不同曲率下的应力分布图。
图10为图8中弧长2在不同曲率下的应力分布图。
图11为图10中应力最大值连接点和应力最小值连接点之间的弯曲系数变化情况;
图12为实施例一计算得到的弧度结构细节图。
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
如图2至图12所示为本发明的高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法的实施例,高压电缆接头防爆装置设有防爆腔体;方法包括以下步骤:
S1. 利用多物理场耦合的有限元仿真方法,基于迭代算法得到防爆腔体内不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布和腔体内壁承受的应力值;
S2. 对不同曲率半径的弧形端头内壁压强分布和腔体内壁承受的应力值进行计算,计算分析得到端头部位各连接点的最大应力值;
S3. 比较分析步骤S2中端头部位各连接点的最大应力值,选取内壁承受应力最小的弧度,即为端头部位弯曲弧度。
本实施例的多物理场耦合的有限元仿真方法采用仿真软件实现,所述仿真软件包括COMSOL、ANSYS。
本发明在实施时,利用电场、温度场、流场和位移场耦合的有限元仿真方法,基于三层迭代算法得到防爆腔体内部不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布和腔体内壁承受的应力值;对不同曲率半径的弧形端头内壁承受的压强和应力进行计算,准确得出内部端头各连接点的最大应力值,选取承受应力最小的弧度,优化高压电缆接头防爆装置弯曲弧度设计,提高高压电缆防爆装置的防爆性能。
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。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。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、流耦合和属性耦合等。仿真电缆接头的电磁场、热场、流场和应力场之间的耦合作用关系如图2所示。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。
步骤S1按以下步骤实施:
S11. 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;
S12. 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;
S13. 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;
S14. 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;
S15. 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;
S16. 再计算温度场和流场,重复上述步骤S11~S14,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;
S17. 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。
通过以上步骤,能够计算防爆腔体内不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布和腔体内壁承受的应力值。
本实施例以初始电弧能量为7×1013W/m3做具体说明:
(1)防爆腔体内不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布
电弧产生时,从t=0时刻开始,(初始电弧能量7×1013W/m3)气体的加热过程持续时间为70ms。图3显示t =10ms、30ms及70ms时防爆装置内部气体的温度、密度、气流速度以及压强分布,不同时刻内部气体受热膨胀变化过程如图3所示。
由图3可知,当电弧发生故障时,电弧周围温度迅速升高,红色代表温度升高区域,蓝色表示温度未较低区域。各图之间的颜色范围相同,红色与蓝色相交线为350K。可以发现随着时间增长,电弧周围迅速升高,但由于空气具有良好的热绝缘效果。即使70ms时刻,温度升高范围并不明显;同理,不同时刻内部气体受热密度变化过程如图4所示。
由图4可知,当电弧周围温度迅速升高,空气分子内能迅速增大,导致分子间隙增大,气体密度降低(蓝色部分)几乎为0kg/m3。并且,随着时间增大,低密度区域面积增大,而温度未明显升高的区域空气密度只是稍微增大,图4中(黄色部分)变化并不明显。不同时刻内部气体气流速度变化情况如图5所示。
由图5可知,当空气分子内能增加时,导致电弧周围的空气瞬间流动,在10ms时刻,电弧周围气体速度迅速增大,约为1m/s。但整个装置为密封环境,温度升高不明显区域的分子密度增加,分子间作用力增强,这将限制热分子向低温区域扩散。当时间为70ms时,速度明显减小。(红色区域颜色变浅代表速度降低);同理,不同时刻下的气压变化情况如图6所示。
由图6可知,随着时间的发展,在密封空间内,由于电弧释放的能量不能释放,导致内部气压迅速上升。在小能量作用下,70ms保护装置内部绝对气压(指直接作用于容器或物体表面的压力)升高为159Pa。
(2)弧度的确定
在保护装置密封情况下,外壁所受应力随着壁厚的增加而较小。通过仿真可以发现,应力最大处为保护装置弯曲连接处,如图7所示。
当保护装置内部气体绝对气压升高时,导致保护装置结构发生不同程度的形变。根据保护装置的应力(物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力,以抵抗这种外因的作用,并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置)反应其形变情况。其中,仿真设置折角、曲率弧度0.1、曲率弧度0.3、曲率弧度0.5、曲率弧度0.7进行仿真计算,得到弧长1(位置如图8所示)的应力变化图如下图9所示。
由图9可知,当保护壳弯曲处设置为折角时,在相同电弧能量下,保护壳弯曲处所受应力远远大于周围材料所受应力。在巨大应力差的作用下,极有可能电弧故障情况下应力保护壳损害甚至炸毁。当保护壳设置为具有一定弧度时,该连接处的应力大大降低。甚至直接低于保护壳主体部分,大大提高了保护装置的结构稳定性。其中,在弧长为100mm以前,在不同曲率下,上述示意图中弧长1的应力分布有所区别,随着曲率的增大,应力变小,而在弧长为100mm以后,对于上述示意图中弧长1的应力分布则随曲率的增大而增大。同时,上述示意图中弧长2的应力变化图如下图10所示。
由图10可知,在不同曲率下,上述示意图中弧长2的应力分布有所区别,在弧长为300mm处,随着曲率的增加,应力变大,在为折角时,出现了应力为7×104N/m2的峰值。通过定义弯曲系数为应力最大值/应力最小值,可得上述示意图中两连接点之间的弯曲系数变化情况如图11所示。
由图11可知,上述示意图中连接点1的弯曲系数随着曲率的增大而减少,连接点2的弯曲系数随着曲率的增大而增加,且两连接点的弯曲系数变化曲线在0.3-0.4之间进行相交,进而可知在该曲率条件下,保护装置对曲率的优化选择0.3-0.4之间最优,角度约为10°~22°。弧度结构细节图如图12所示。
通过以上步骤,得到防爆腔体内部不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布和腔体内壁承受的应力值;进而对不同曲率半径的弧形端头内壁承受的压强和应力进行计算,准确得出内部端头处各连接点的最大应力值,从而选取承受应力最小的弧度,优化了高压电缆接头防爆装置保护壳弯曲弧度设计,为防爆装置设计提供了可靠的理论仿真方法。
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的端头部位弯曲弧度仿真方法,所述高压电缆接头防爆装置设有防爆腔体;其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1.利用多物理场耦合的有限元仿真方法,基于迭代算法得到防爆腔体内不同时刻气体的温度、密度、气流速度以及压强分布和腔体内壁承受的应力值;
S2.对不同曲率半径的弧形端头内壁压强分布和腔体内壁承受的应力值进行计算,计算分析得到端头部位各连接点的最大应力值;
S3.比较分析步骤S2中端头部位各连接点的最大应力值,选取内壁承受应力最小的弧度,即为端头部位弯曲弧度。
2.根据权利要求1所述的高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法,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的端头部位弯曲弧度仿真方法,其特征在于,步骤S1中,多物理场耦合的有限元仿真方法采用仿真软件实现,所述仿真软件包括COMSOL、ANSYS。
4.根据权利要求1所述的高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法,其特征在于,步骤S1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。
5.根据权利要求1至4任一项所述的高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法,其特征在于,步骤S1按以下步骤实施:
S11.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;
S12.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;
S13.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;
S14.将由流场分析模型中计算得到的压强结合边界条件计算得到腔体内壁承受的应力值;
S15.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;
S16.再计算温度场和流场,重复上述步骤S11~S14,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;
S17.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,直至时间步长迭代次 数达到预设定的步数N时,程序完成外层时间步长迭代,计算结束。
6.根据权利要求5所述的高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度仿真方法,其特征在于,步骤S15中所述流体为气体。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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