CN109408901A - 电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，属于电力信息技术领域，该建模方法包括以下步骤：步骤1：对35kV电缆接头的尺寸模型，在电缆芯中施加35kV等级电压的最大电动势，按电场分布的第一类边界条件分析；步骤2：分别建立电力接头中各部件的三维仿真模型，最终形成电缆接头的三维仿真模型；步骤3：将电缆接头的三维仿真模型与二维平面电场模型和二维轴对称模型对比分析，步骤4：根据三维仿真模型和二维轴对称模型中空气中的最大电场强度与实际测试结果比较，验证三维仿真模型的准确性，该建模方法根据电缆接头电场三维可视化场景，能够直观体现出电缆接头电场分布，实现配网电缆接头绝缘故障的准确评价。

Description

电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法

技术领域

本发明涉及电力信息技术领域，尤其是涉及一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法。

背景技术

随着我国经济进一步发展，城镇化进程持续加速，加之聚乙烯材料交联化工艺不断成熟，交联聚乙烯 ( 简称 XLPE) 电力电缆凭借其优异的机械性能以及优质的绝缘特性，得到广为认可，已在电力行业中大量使用，与此同时，与电力电缆配套的中间接头也在大量使用。其原因在于电力电缆出厂时长度已为定值，在现场施工敷设时需要进行剪切，并用电缆接头对电缆进行衔接，然而，从电力电缆开始使用至今，在电力供电系统中电力电缆接头依然是线路中最薄弱的环节，经常发生配电网电缆接头的绝缘击穿和烧损事故，给人们的生产和生活造成了恶劣影响。因此，建立一种对电力电缆接头电场分布三维仿真技术研究是非常有必要的。

公开号为CN 108037376 A的文献提出一种配电网电缆接头电场强度检测装置，包括电场强度传感器、信号幅值调整模块、差分放大滤波模块、AD模块，所述电场强度传感器将采集到的电场强度信号传送给所述信号幅值调整模块进行信号幅值的调整，经过幅值调整后的信号经过所述差分放大滤波模块后进行电平的抬升，最终通过所述AD模块变换为数字信号后，通过天线输出。虽然本文献基于传感器技术，检测配电网中电缆接头的电场强度，给电缆接头的绝缘性能和故障预测提供判定依据，具有重大的实用意义，但该文献未能对配电网电缆接头进行三维建模。

公告号为CN 106199704 B的文献公开了一种三维三分量海底电缆地震资料速度建模方法，包括以下步骤：对海底电缆地震资料的纵波地震道集和转换波地震道集进行前期处理；进行纵波叠前时间偏移速度扫描，建立纵波速度模型；进行横波叠前时间偏移速度扫描，建立横波速度模型；建立纵横波速度比模型并进行优化；对选定速度建模控制线进行转换波叠前时间偏移成像，得到控制线成像道集；对优化纵横波速度比场进行百分比扫描偏移；根据三个准则从控制线成像道集中优选最佳百分比系数，形成最终优化系数体；将优化纵横波速度比场乘以最终优化系数体，得到最终纵横波速度比模型；使用纵波速度模型、横波速度模型和最终纵横波速度比模型对整个勘探工区的转换波，但该文献未能与二维模型进行比对，有待进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，研究电缆接头电场仿真模拟模型，构建电缆接头电场三维可视化场景，能够直观体现出电缆接头电场分布，实现配网电缆接头绝缘故障的准确评价。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，包括以下步骤：

步骤1：对35kV电缆接头的尺寸模型，在电缆芯中施加35kV等级电压的最大电动势，按电场分布的第一类边界条件分析；

步骤2：根据电缆接头的结构图，分别建立电力接头中各部件的三维仿真模型，最终形成电缆接头的三维仿真模型；

步骤3：建立电缆接头二维平面电场和二维轴对称分布模型，将电缆接头的三维仿真模型与二维平面电场模型和二维轴对称模型进行对比分析；

步骤4：根据上述对比分析，确定三维仿真模型的网络剖分，根据三维仿真模型和二维轴对称模型中空气中的最大电场强度与实际测试结果进行比较，验证三维仿真模型的准确性。

进一步的,所述步骤1中第一类边界条件包括以下三个方面：

a: 电缆接头两端接头认为无线长的，在建模分析中将空气的边界与电缆的两个端部平齐；

b：电缆接头建模时在电缆接头外部的半导电屏蔽层外加一定的电压值来模拟实际情况；

c：三维仿真模型连接管的两端按对称分布处理，电场仿真分析的二维轴对称模型只取的三维仿真模型的上半部分进行模拟。

进一步的, 所述步骤2中的所述电缆接头包括电缆线芯、交联聚乙烯主绝缘、半导电层、应力锥、屏蔽层、接头主绝缘、连接管和空气层。

进一步的, 所述步骤3中，比对分析的对象是正常运行情况下中间接头和电缆连接的电场分布和电缆接头附件空气中的电场分布。

进一步的, 所述最大电场强度、空气中最大电场强度是采用COMSOL软件分别对电缆接头和套管装配后的局部进行电场分析计算得出。

进一步的, 所述步骤4中，三维仿真模型的芯线材料为铜材，电力电缆外面的介电常数设为4，材料设置为各向同性，电力电缆接头处介电常数设为3，材料设置为各向同性。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，针对配电网使用的电缆接头，当电缆发生故障或存在缺陷时，能够替代现有研究中主要采用二维轴对称模型进行的分析导致的二维对称图形可能将无法完全准确描述电缆的电场分布特性。本发明分别建立了电缆接头三维模型和二维轴对称模型进行电场分析，通过分析结果的对比，确定电缆接头的仿真建模，可以更准确、更快速的进行仿真分析。

2、本发明提供一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，通过有限元分析技术，建立了电缆接头的三维可视化场景，当电缆正常运行时，三维模型可以反映电缆的运行情况，且根据与现场实际采集数据对比，确定了网络剖分方法，使得在保证计算精度的前提下尽可能的提高计算速度，实现了对电缆接头电场的准确模拟，直观表现当前设备的电场变化情况。

3、本发明提供一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，通过研究形成的电缆接头电场分布仿真技术实现电缆接头电场分布状态模拟，为电缆接头运行状态分析诊断提供了有效的数据支撑，具有良好的经济效益，同时通过本发明的研究能够有效提高电网供电靠性，保证人民生产生活安全稳定，因此本项目具有良好的社会效益。

附图说明

图1为本发明电缆接头结构的剖面图；

图2为本发明电缆接头三维仿真模型图；

图3为本发明的二维模型的电场分布；

图4为本发明的二维模型附近空气中的电场分布；

图5为本发明的二维轴对称的电场分布；

图6为本发明的二维轴对称的附近空气中的电场分布。

附图说明，1-电缆线芯、2-XLPE主绝缘、3-半导电层、4-应力锥、5-屏蔽层、6-接头主绝缘、7-连接管、8-空气层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

因为仿真主要针对电缆接头内部的电场，所以电缆接头的内部构造，为便于分析，需要对接头的结构进行一定的简化。例如一些外部零件，由于对分析结果无较大的影响，均可忽略或简化。

一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，包括以下步骤：

步骤1：对35kV电缆接头的尺寸模型，在电缆芯中施加35kV等级电压的最大电动势，按电场分布的第一类边界条件分析，在对电缆接头进行电场分析时，模型维数的选择取决于接头的几何特征，即其轴对称特性在引入缺陷后是否被破坏，分析过程的第一类边界条件包括以下三个方面：

a： 为了减少电场畸变、得到比较符合实际的电场分布，需要简化模型。同时，考虑到实际情况是中间接头两端连接的电缆是比较长，从电场仿真分析的角度可以认为是无限长的，因此，在建模分析时将空气的边界与电缆的两个端部平齐，以避免电场畸变而影响判断结果的准确性；

b：电缆接头主绝缘外面还有一层薄薄的半导电屏蔽层，在实际运行过程中，该层材料的表面实际有一定的电压值，其电位不为零，电缆接头建模时在电缆接头外部的半导电屏蔽层外加35kV等级电压来模拟实际情况；

c：为了更好的展示电缆接头与两端的电缆连接，三维仿真模型连接管的两端按对称分布处理，电场仿真分析的二维轴对称模型只取三维仿真模型的上半部分进行模拟。

如图1-2所示，步骤2：根据电缆接头的结构图，通过有限元分析通过COMSOLMulti-physics 软件分别建立电缆接头中各部件的三维仿真模型，最终形成电缆接头的三维仿真模型；

所述步骤2中的所述电缆接头包括电缆线芯1、交联聚乙烯主绝缘2、半导电层3、应力锥4、屏蔽层5、接头主绝缘6、连接管7和空气层8，分别建立电缆接头上述各部件的三维仿真模型，最终形成电缆接头的三维仿真模型。

电缆接头的各部位名称及所用材料的具体属性见表1所示。

表1：各部件名称及所用材料属性

序号	对应部件名称	相对介电常数
			1	电缆线芯	1
2	XLPE主绝缘	2.5
			3	半导电层	60
4	应力锥	60
			5	屏蔽层
6	接头主绝缘	3
			7	连接管	1
8	空气层	1

如图3-6所示，步骤3：是从产品的某个视图（如XY平面视图）建模分析建立电缆接头二维平面电场和二维轴对称分布模型，将电缆接头的三维仿真模型与二维平面电场模型和二维轴对称模型通过电场分布情况和电缆接头附近空气中电场分布情况；用三维仿真模型可以更加直观的看到实际电场的分布情况，对于分析电缆接头附近的电场畸变情况更加明显。采用二维轴对称分布模型与二维平面电场模型的电场分布结果基本类似，由此可见，从表现形式及其所蕴含的信息量来说，三维模型的效果远高于二维轴对称模型和二维平面模型。

所述步骤3中，三维仿真模型和二维轴对称分布模型的整体最大电场强度、空气中最大电场强度大小相差不大，二维轴对称分布模型的整体最大电场强度、空气中的最大电场强度的大小比二维平面电场的整体最大电场强度、空气中的最大电场强度高。

所述最大电场强度、空气中最大电场强度是采用COMSOL软件分别对电缆接头和套管装配后的局部进行电场分析计算得出，三种模型的仿真结果最大电场强度汇总见表2所示：

表2：不同模型最大电场强度对比

电场强度	三维	二维平面	二维轴对称
				整体最大电场强度	4.12kV/mm	3.62kV/mm	4.02kV/mm
空气中最大电场强度	5.24V/m	3.54V/m	5.22V/m

从表2中可以看出三种不同的分析模型分析得出的结果也不同，相差还是比较大的。三维仿真模型和二维轴对称分布模型的整体最大电场强度、空气中最大电场强度大小相差不大，二维轴对称分布模型的整体最大电场强度、空气中的最大电场强度的大小比二维平面电场的整体最大电场强度、空气中的最大电场强度高，其中，无论是整体最大电场强度还是空气中的最大电场强度，三维仿真模型和二维轴对称模型几乎没有差别，最大相差2.4%，完全满足工程和设计要求。但是，二维平面模型与三维仿真模型的分析结果相差比较大，最大相差12.1%，与二维轴对称相比相差了一个数量级。

此外，三维模型单元网格剖分如果粗糙，会在一定程度上影响分析结果，如果模型剖分的过于细密，就会需要更大的硬件资源（如CPU、内存等），有时候可能会由于模型过于复杂和庞大，无法完成剖分，用时过长，也会影响分析进度。由此可见，三维模型的网格剖分非常重要。

步骤4：根据上述对比分析，对三维仿真模型三维模型进行适宜的单元网格剖分方法，因为三维模型单元网格剖分如果粗糙，会在一定程度上影响分析结果，如果模型剖分的过于细密，就会需要更大的硬件资源（如CPU、内存等），有时候可能会由于模型过于复杂和庞大，无法完成剖分，用时过长，也会影响分析进度，根据三维仿真模型和二维轴对称模型中空气中的最大电场强度与实际测试结果进行比较，验证三维仿真模型的准确性。

三维模型和二维轴对称模型中空气中的最大电场强度均位于电缆接头的表面，且二者基本相同，最大值为5.24V/m左右，与实际测试的5.0V/m十分接近，其误差在工程允许范围内。由此可见，三维分析模型网格剖分合适，可以模拟实际的运行工况。

所述步骤4中，三维仿真模型的材料为铜材，电力电缆外面的的介电常数设为4，材料设置为各向同性，电力电缆接头处的介电常数设为3，材料设置为各向同性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对35kV电缆接头的尺寸模型，在电缆芯中施加35kV等级电压的最大电动势，按电场分布的第一类边界条件分析；

步骤2：根据电缆接头的结构图，分别建立电力接头中各部件的三维仿真模型，最终形成电缆接头的三维仿真模型；

步骤3：建立电缆接头二维平面电场和二维轴对称分布模型，将电缆接头的三维仿真模型与二维平面电场模型和二维轴对称模型进行对比分析；

步骤4：根据上述对比分析，确定三维仿真模型的网络剖分，根据三维仿真模型和二维轴对称模型中最大电场强度、空气中的最大电场强度分别与实际测试结果进行比较，验证三维仿真模型的准确性。

2.根据权利要求1所述的一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，其特征在于：所述步骤1中第一类边界条件包括以下三个方面：

a: 电缆接头两端接头认为无线长的，在建模分析中将空气的边界与电缆的两个端部平齐；

b：电缆接头建模时在电缆接头外部的半导电屏蔽层外加一定的电压值来模拟实际情况；

c：三维仿真模型连接管的两端按对称分布处理，电场仿真分析的二维轴对称模型只取三维仿真模型的上半部分进行模拟。

3.根据权利要求1所述的一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，其特征在于：所述步骤2中的所述电缆接头包括电缆线芯、交联聚乙烯主绝缘、半导电层、应力锥、屏蔽层、接头主绝缘、连接管和空气层。

4.根据权利要求2所述的一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，其特征在于：所述步骤2中的在进行三维仿真模型过程中需要对接头的结构进行一定的简化，所述半导电层、应力锥在静电场计算中，按导体区域来考虑，即等电势区域。

5.根据权利要求1所述的一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，其特征在于：所述步骤3中，比对分析的对象是正常运行情况下中间接头和电缆连接的电场分布和电缆接头附件空气中的电场分布。

6.根据权利要求5所述的一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，其特征在于：所述最大电场强度、空气中最大电场强度是采用COMSOL软件分别对电缆接头和套管装配后的局部进行电场分析计算得出。

7.根据权利要求1所述的一种电缆接头电场分布的三维仿真模型的建模方法，其特征在于：所述步骤4中，三维仿真模型的材料为铜材，电力电缆外面的介电常数设为4，材料设置为各向同性，电力电缆接头处的介电常数设为3，材料设置为各向同性。