CN109408875A - 高压电缆接头防爆装置泄能孔开口位置的仿真方法 - 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位置的仿真方法，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，计算处于不同安装位置的泄能孔对应的不同时刻压力释放速度变化趋势；通过对不同安装位置的泄能孔对应的不同时刻压力释放速度变化趋势分析，综合考虑具体类型的电缆接头最容易发生故障的部位，设计最优化的泄能孔安装位置，提高设计的精确度，减少试验工作量。本发明可优化高压电缆接头防爆装置泄能孔安装位置设计，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位置的仿真方法

技术领域

本发明涉及高压电缆接头防爆装置仿真的技术领域，更具体地，涉及高压电缆接头防爆装置泄能孔开口位置的仿真方法。

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位置对开口位置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位置的仿真方法，为泄能孔的位置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位置的仿真方法，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.通过对不同时间点防爆装置内部气流速度以及压强分布进行仿真，计算泄能孔在不同安装位置时开口处的压力释放速度；

S4.比较步骤S3中不同安装位置泄能孔的压力释放速度，压力释放速度最大的开口位置确定为高压电缆防爆装置泄能孔的开口部位。

本发明的高压电缆接头防爆装置泄能孔开口位置的仿真方法，采用多物理场耦合的方法计算存在泄能孔时防爆腔体内部压力释放速度的变化趋势，优化防爆装置泄能孔的安装位置，为泄能孔位置设计提供了理论依据和计算方法，解决了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。

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，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.计算热源相同时不同开口位置下的压力释放速度的变化，得到不同泄能孔安装位置对应的压力释放速度，选取压力释放速度最大的位置为防爆装置最佳的泄能孔安装位置；

S42.基于高压电缆接头故障统计分析具体类型的高压电缆接头最易发生故障的部位；

S43.基于步骤S41中计算结构得到的开孔位置与高压电缆接头故障源之间的关系，结合步骤S42中高压电缆接头最易发生故障的部位，得到高压电缆防爆装置泄能孔的开口部位。

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位置的仿真方法，利用热-流-固多物理场耦合的有限元计算方法，得到不同高压电力电缆接头防爆装置泄能孔安装位置对应的不同时刻压力释放速度变化趋势，确定最佳开口安装位置，有效优化了高压电缆接头防爆装置泄能孔安装位置设计，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泄能孔开口位置1、开口位置2和开口位置3的示意图。

图4为实施例一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5为实施例一高压电缆接头防爆装置内部气压变化过程。

图6为实施例一高压电缆接头防爆装置内部气体流速变化过程。

图7为实施例一高压电缆接头防爆装置不同位置压力释放速度变化图。

图8为实施例一高压电缆接头防爆装置最终确定的泄能孔开口位置示意图。

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位置的仿真方法的实施例，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.通过对不同时间点防爆装置内部气流速度以及压强分布进行仿真，计算泄能孔在不同安装位置时开口处的压力释放速度；

S4.比较步骤S3中不同安装位置泄能孔的压力释放速度，压力释放速度最大的开口位置确定为高压电缆防爆装置泄能孔的开口部位。

本实施例在实施时，采用多物理场耦合的方法计算存在泄能孔时防爆腔体内部压力释放速度的变化趋势，优化防爆装置泄能孔的安装位置，为泄能孔位置设计提供了理论依据和计算方法。

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2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.计算热源相同时不同开口位置下的压力释放速度的变化，得到不同泄能孔安装位置对应的压力释放速度，选取压力释放速度最大的位置为防爆装置最佳的泄能孔安装位置；

S42.基于高压电缆接头故障统计分析具体类型的高压电缆接头最易发生故障的部位；

S43.基于步骤S41中计算结构得到的开孔位置与高压电缆接头故障源之间的关系，结合步骤S42中高压电缆接头最易发生故障的部位，得到高压电缆防爆装置泄能孔的开口部位。

本实施例以实际200kV XLPE绝缘高压交流电缆附件做具体说明：

(1)高压电缆接头防爆装置的热-流-固物理模型的建立

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，本发明运用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在不同位置，观察不同位置下的泄能速度，同时设置相应物理场的边界条件，以探究最优安装位置。在确定安装位置时，为了只观察上泄能孔的泄能速度，下泄能孔关闭。

将防爆装置设置不同位置的泄能孔，观察在不同位置的气流扩散速度，设置小能量热损耗密度为5×10¹³W/m³探究最优开孔位置，分别选取三处轴向位置，位置1:200mm处；位置二：420mm处；位置三：650mm处；如图3所示。在确定开孔位置时，为了只观察上泄能孔的泄能速度，下泄能孔关闭，开孔半径为10cm，如图4所示。

(2)采用多层迭代算法进行求解热-流-固物理模型

在开孔位置设置相应物理场的边界条件：流场：设置出口压力P₀＝0；温度场：设置开边界T₀＝293.15K；并按照步骤S21～S27进行求解。

(3)不同时间点防爆装置内部气流速度以及压强分布的仿真结果

在密封空间内，电弧周围气体密度由于受热迅速降低，在一定时间内，温度升温区域主要集中在电弧周围，气流变换随着时间发展逐渐变慢，由于没有泄能装置，内部气压迅速上升；当设置泄能孔时，电弧周围空气的密度、温度、气流速度总体变化趋势与密封空间内相似，但泄能孔会影响气流方向，内部压强由于泄能孔的作用迅速降低，大大降低了电弧释放的能量对保护外壳的损坏效果。

通过观察发现，当热源产生大量能量时，在泄能孔气流向外流出；随着时间的发展，泄能速度迅速增大，并且可以发现泄能孔添加后，内部气流流向也发生改变，更加倾向于泄能口发展。这说明由于泄能孔的存在，电弧产生的大量能量可以通过泄能孔排除，降低了保护装置内部的气体压力，如图5所示。

为了对高压电缆接头配套保护装置不同位置开孔进行仿真计算，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：电弧产生时，从t＝0时刻开始，气体的加热过程持续时间为20ms。以泄能孔的开口位置与故障源位置对应时为例，下面的一系列图显示t＝5ms、10ms及20ms时保护装置内部气流速度以及压强分布，其如图6所示。

由图6可知，通过三个时刻的气流速度可以明发现，当热源产生大量能量时，在泄能孔气流向外流出；随着时间的发展，泄能孔的速度迅速增大。在20ms时，泄能孔位置气流速度约为12m/s。并且可以发现泄能孔添加后，内部气流流向也发生改变，更加倾向于泄能口发展。

(4)泄能口开口位置的确定

通过对高压电缆接头配套保护装置不同位置开孔按照上述方法进行仿真计算，下图中显示了部分位置1：200mm处；位置2：420mm处；位置3：650mm处，计算结果如图3所示。

计算得到热源相同时不同开口位置下的腔体压力分布变化，得到不同泄能孔安装位置对应的腔体承受最大压力值以及得到开孔位置与高压电缆接头故障源的对应关系。不同开口位置对应的不同时间下的压力释放速度变化情况如下图7所示。

由图7可知，在高压电缆接头发生电弧击穿放电故障时，保护装置内气流压力释放速度随着时间的增加而增加。开口位置不同，压力释放速度变化也不同。仿真结果显示，如果泄能孔安装在对应故障源的位置处，防爆装置整体承受的最大压力有所缓解。因而，泄能孔安装位置的设计原则应在电缆接头最易发生故障的对应位置处。

通过以上步骤，可确定泄能孔开口位置如下：

(1)仿真结果显示，当开口部位与故障源位置对应时，腔体内的压力释放速度最快，最利于泄能(位置2中故障源和泄能孔位置的对应关系)。

(2)根据高压电缆接头故障统计分析，由于本案例中所采用的电缆接头常发生故障部位出现在附件两端应力锥和外半导体层剥离处。

(3)当泄能孔位置安装在与附件两端应力锥和外半导体层剥离处相对应的位置时，此时防爆装置整体承受的最大压力最小，气流速度释放最快，泄能效果相比其他有所改善。据测量，该故障源位置大约距离中间接头中心420mm左右。

因而，保护装置的泄能孔建议开在泄能孔中线离中间接头中心420mm处的位置；如图8所示。

综上，本发明采用COMSOL Multiphysics仿真软件，利用热-流-固多物理场耦合的有限元计算方法，得到不同高压电力电缆接头防爆装置泄能孔安装位置对应的不同时刻压力释放速度变化趋势，确定最佳开口安装位置，有效优化了高压电缆接头防爆装置泄能孔安装位置设计，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。

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位置的仿真方法，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进行求解；

S3.通过对不同时间点防爆装置内部气流速度以及压强分布进行仿真，计算泄能孔在不同安装位置时开口处的压力释放速度；

S4.比较步骤S3中不同安装位置泄能孔的压力释放速度，压力释放速度最大的开口位置确定为高压电缆防爆装置泄能孔的开口部位。

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位置的仿真方法，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位置的仿真方法，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位置的仿真方法，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位置的仿真方法，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位置的仿真方法，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.计算热源相同时不同开口位置下的压力释放速度的变化，得到不同泄能孔安装位置对应的压力释放速度，选取压力释放速度最大的位置为防爆装置最佳的泄能孔安装位置；

S42.基于高压电缆接头故障统计分析具体类型的高压电缆接头最易发生故障的部位；

S43.基于步骤S41中计算结构得到的开孔位置与高压电缆接头故障源之间的关系，结合步骤S42中高压电缆接头最易发生故障的部位，得到高压电缆防爆装置泄能孔的开口部位。