CN109902396A - 电缆分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种电缆分析方法及装置，涉及电气设备绝缘老化领域。方法包括：在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得第一电缆模型的物理结构特征；根据物理结构特征和第一电缆模型在空间中的预设受力情况，在空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型；根据预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出第二电缆模型的电场强度分布特征。建立非旋转对称的第二电缆模型，对电场强度分布特征进行分析，得到的规律，可以更准确地反应实际应用中电缆的电场强度分布特征。进一步地，基于获得的准确度更高的电场强度分布特征规律，更好地研究电缆中绝缘层的绝缘层老化、击穿的特点，为高压电力设备的安全高效运行提供保障。

Description

电缆分析方法及装置

技术领域

本申请涉及电气设备绝缘老化领域，具体而言，涉及一种电缆分析方法及装置。

背景技术

近年来，柔性直流输电技术迅速发展，交联聚乙烯电缆作为直流输电系统的关键设备具有十分广阔的应用前景。电场强度的分布与电缆中的绝缘层的老化程度和击穿位置相关，研究电场强度分布可以为电缆绝缘层击穿提供理论依据，进而可以更好的研究绝缘层中的绝缘材料的电导、绝缘老化、击穿的特点，为电缆的制备、绝缘新材料的开发提供理论基础，为高压电力设备的安全运行提供保障。

发明内容

本申请的目的在于提供一种电缆分析方法以及装置，以有效的解决模拟分析出的电场强度分布特征与实际电场强度分布特征存在较大差异的技术缺陷。

本申请的实施例通过如下方式实现：

第一方面，本申请实施例提供了一种电缆分析方法，该方法包括：在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得第一电缆模型的物理结构特征；根据物理结构特征和第一电缆模型在空间中的预设受力情况，在空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型；根据预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出第二电缆模型的电场强度分布特征。

在本申请实施例中，基于旋转对称结构的第一电缆模型生成非旋转对称结构的第二电缆模型，充分考虑到了电缆实际使用中电缆的物理结构发生改变的应用场景。因此，建立非旋转对称的第二电缆模型，对电场强度分布特征进行分析，得到的规律，可以更准确地反应实际应用中电缆的电场强度分布特征。进一步，基于获得的准确度更高的电场强度分布特征规律，以更好地研究电缆中绝缘层的绝缘层老化、击穿的特点，为高压电力设备的安全高效运行提供保障。

结合第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，物理结构特征包括第一电缆模型中缆芯的轴心线，根据轴心线，以及根据第一电缆模型在空间中的预设受力情况为朝轴心线对应第一电缆模型产生作用力，获得第一电缆模型上的至少一个点的当前位置从受力前的第一位置位移到受力后的第二位置；基于位于第二位置的至少一个点在空间生成非旋转对称结构的第二电缆模型。

在本申请实施例中，根据缆芯的轴心线在预设受力情况下，从受力前的第一位置位移到受力后的第二位置，可以具体模拟出缆芯在实际应用中发生的物各层物理结构发生相对位移。通过分析轴心线的位移，可以清楚明了地反映基于第一电缆模型生成第二电缆模型发生的位移，进而获得准确度更高的电场强度分布特征规律，从而分析受力情况导致的电缆物理结构发生位移与电场强度分布特征的规律，以更好地研究电缆中绝缘层的绝缘层老化、击穿的特点，为高压电力设备的安全高效运行提供保障。

结合第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，模拟对第二电缆模型施加预设强度的电流场，确定第二电缆模型当前时刻在电流场中的电场强度分布特征，并根据当前时刻的电场强度分布特征对在电流场中的电导率的反馈影响生成新的电导率，根据新的电导率确定当前时刻的新的电场强度分布特征；在确定当前时刻距起始时刻的时长达到预设时长时，确定当前时刻的电场强度分布特征为第二电缆模型的电场强度分布特征。

在本申请实施例中，电流场中的电导率和电场强度相互影响，电导率决定绝缘层中电场分布，电场强度又影响着电导率的大小。通过电导率和电场强度的循环迭代过程，可以动态地分析出环境因素对电场强度的影响，进一步地得到第二电缆模型的电场强度分布特征，更好地研究电缆中绝缘层的绝缘层老化、击穿的特点，为高压电力设备的安全高效运行提供保障。

结合第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得第一电缆模型的物理结构特征之后，在根据物理结构特征和第一电缆模型在空间中的预设受力情况，在空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型之前，方法还包括：模拟对第一电缆模型施加电压激励，电压激励用于为第一电缆模型提供电场以获得第一电缆模型在电场中产生的电场强度。

在本实施例中，对电缆模型施加具有电势差的电压激励是电缆绝缘层产生电场的基础。将对第一电缆模型施加电压激励产生电场的时刻作为起始时刻，获得基于电压激励在当前时刻产生的电场强度，确定出的第二电缆模型的起始时间以及起始时刻时的电场强度可以作为第二电缆模型在未改变环境因素时参照电场强度，进一步更好地研究电缆中绝缘层的绝缘层老化、击穿的特点，为高压电力设备的安全高效运行提供保障。

结合第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，根据预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出第二电缆模型的电场强度分布特征之后，方法还包括：调整温度参数获得调整后的温度参数，基于调整后的温度参数产生温度场；根据温度场与基于预设电流参数建立的电流场耦合，获得新的电导率。

在本申请实施例中，温度参数产生温度场，温度场影响着电流场中电导率大小，从而影响电场强度。通过调整温度参数，基于调整后的温度参数产生的温度场随着温度参数变化，这样，可以通过调整温度参数，分析温度参数产生的温度场在缆芯至绝缘层产生的不同温度梯度对电缆的电场强度分布特征的影响规律，进一步更好地研究电缆中绝缘层的绝缘层老化、击穿的特点，为高压电力设备的安全高效运行提供保障。

第二方面，本申请实施例提供了一种电缆分析装置，装置包括：第一模型建立模块，用于在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得第一电缆模型的物理结构特征；第二模型建立模块，用于根据物理结构特征和第一电缆模型在空间中的预设受力情况，在空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型；分析模块，用于根据预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出第二电缆模型的电场强度分布特征。

结合第二方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，物理结构特征包括第一电缆模型中缆芯的轴心线，第二模型建立模块还用于，根据轴心线，以及根据第一电缆模型在空间中的预设受力情况为朝轴心线对应第一电缆模型产生作用力，获得第一电缆模型上的至少一个点的当前位置从受力前的第一位置位移到受力后的第二位置；基于位于第二位置的至少一个点在所述空间生成非旋转对称结构的第二电缆模型。

结合第二方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，分析模块还用于，确定第二电缆模型当前时刻在电流场中的电场强度分布特征，并根据当前时刻的电场强度分布特征对在电流场中的电导率的反馈影响生成新的电导率，根据新的电导率确定当前时刻的新的电场强度分布特征；在确定当前时刻距起始时刻的时长达到预设时长时，确定当前时刻的所述电场强度分布特征为第二电缆模型的电场强度分布特征。

结合第二方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，分析模块，还用于模拟对第一电缆模型施加电压激励，电压激励用于为第一电缆模型提供电场以获得第一电缆模型在电场中产生的电场强度。

结合第二方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，分析模块还用于，在调整温度参数获得调整后的温度参数，基于调整后的温度参数产生温度场时；根据温度场与基于预设电流参数建立的电流场耦合，获得新的电导率。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请第一实施例提供的一种电子设备的结构框图；

图2示出了本申请第二实施例提供的一种电缆分析方法的时序流程图；

图3示出了本申请第二实施例提供的第一电缆模型100的物理结构模型；

图4示出了本申请第二实施例提供的第一电缆模型100的受力情况模拟图；

图5示出了本申请第二实施例提供的第二电缆模型200的物理结构模型；

图6示出了本申请第三实施例提供的一种电缆分析装置的结构框图。

图标：100-第一电缆模型；110-缆芯；120-导体屏蔽层；130-绝缘层；140-绝缘层屏蔽层；150-金属护套；160-外护套；200-第二电缆模型。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

本申请实施例提供了一种电子设备10。电子设备10可以为个人电脑(personalcomputer，PC)、平板电脑、智能手机、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等，或电子设备10可以为网络服务器、数据库服务器、云服务器或由多个子服务器构成的服务器集成等。

请参阅图1，该电子设备10可以包括：存储器111、通信模块112、总线113和处理器114。其中，处理器114、通信模块112和存储器111通过总线113连接。处理器114用于执行存储器111中存储的可执行模块，例如计算机程序。图1所示的电子设备10的组件和结构只是示例性的，而非限制性的，根据需要，电子设备10也可以具有其他组件和结构。

其中，存储器111可能包含高速随机存取存储器(Random Access Memory RAM)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。本实施例中，存储器111存储了当前时刻获得的电场强度分布特征。

总线113可以是ISA总线((Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)、PCI总线(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)或EISA总线(Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准结构)等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图1中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

处理器114可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器114中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器114可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件，可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。

本发明实施例定义的装置所执行的方法可以应用于处理器114中，或者由处理器114实现。处理器114在接收到电子设备10发出的响应指令后，通过通总线113控制通信模块112可以完成对第一电缆模型100以及第二电缆模型200的分析。

第二实施例

电力电缆可以按电流制分为交流电缆和直流电缆。电力电缆可以按绝缘材料分为：油浸纸绝缘电力电缆以油浸纸作绝缘的电力电缆、塑料绝缘电力电缆和橡皮绝缘电力电缆。可选地，在本实施例中，选用塑料绝缘电力电缆。塑料绝缘电力电缆的绝缘层为挤压塑料的电力电缆，常用的塑料有聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯。具体地，在本实施例中塑料绝缘电力电缆为交联聚乙烯电缆。交联聚乙烯电缆具有结构简单、重量轻、耐热好、负载能力强、不熔化、耐化学腐蚀，机械强度高的优点，交联聚乙烯电缆作为直流输电系统的关键设备具有十分广阔的应用场景。

交联聚乙烯电力电缆的物理结构由内向外依次包括：缆芯110、导体屏蔽层120、绝缘层130、绝缘层屏蔽层140、金属护套150和外护套160。缆芯110可以为铜导体或者铝导体。导体屏蔽层120是非金属的，由挤包的半导电料挤成，挤包的半导电料应和绝缘层130紧密结合，用于防止导体电场对交联聚乙烯绝缘的长期作用造成的电场分解和腐蚀。绝缘层130材料为交联聚乙烯，绝缘层屏蔽层140应由非金属半导电层构成，每根绝缘缆芯110上应直接挤包与绝缘层130紧密结合或者可剥离的非金属半导电层，用于削弱外电场对交联聚乙烯的作用，以确保绝缘性良好。金属护套150一般可以为铝护套或者铅护套，外护套160可以为聚氯乙烯外护套或者聚乙烯外护套。

交联聚乙烯电力电缆在实际运行时，缆芯110上施加电压，金属护套150接地，缆芯110的导体屏蔽层120与绝缘层屏蔽层140之间由绝缘层130隔绝，绝缘层130在直流电场下，存在微弱的电导电流，因而，在电导电流存在的情况下，绝缘层130也存在着电场强度。

请参阅图2，本申请第二实施例提供的一种电缆分析方法的时序流程图。该电缆分析方法包括：步骤S11,步骤S12和步骤S13。

步骤S11：在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得所述第一电缆模型的物理结构特征。

步骤S12：根据所述物理结构特征和所述第一电缆模型在所述空间中的预设受力情况，在所述空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型。

步骤S13：根据所述预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出所述第二电缆模型的电场强度分布特征。

下面将对该电缆分析方法的流程做详细说明。

步骤S11：在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得所述第一电缆模型的物理结构特征。

在本申请实施例中，以在空间中建立高压直流电力电缆的物理模型作为研究对象。详细地，在本实施例中，空间可以为有限元分析软件中的空间。也就是说，本方法是以高压直流电缆为研究对象，基于有限元分析软件的空间，建立该高压直流电力电缆的物理模型并进行分析的过程。

有限元分析是基于结构力学分析发展的一种现代计算方法，该方法是首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法。随后广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。基于有限元分析算法编制的软件，即为有限元分析软件。通常，根据软件的使用范围，可以将有限元分析软件区分为：专业有限元软件和大型通用有限元软件。常见的有限元软件包括Hypermesh(有限元前处理软件)和COMSOL Multiphysics(多物理场仿真软件)。在本实施例中，有限元分析软件采用COMSOLMultiphysics。COMSOL Multiphysics具有高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力的优点，实现了高度精确的数值仿真。

基于有限元分析软件，建立高压直流电缆的第一电缆模型100，第一电缆模型100是实体模型抽象化后在有限元软件空间中映射出的一个物理模型，该第一电缆模型100中的具体物理结构与实体模型类似。

基于有限元分析软件建立以高压直流电缆的物理结构模型作为第一电缆模型100，由于高压直流电缆在起始时，高压直流电缆中的各个物理结构层均处于旋转对称的状态，因此，基于该高压直流电缆建立的第一电缆模型100也是旋转对称结构的。旋转对称结构为电缆的各物理层结构的中心均处于同一轴心线上。

请参阅图3，图3为第一电缆模型100的物理结构模型。通过有限元分析软件，选择建立第一电缆模型100时的模型维度，以及根据需要高压直流电缆的分析问题，选择第一电缆模型100所处的物理场。研究对象为以高压直流电缆的物理结构模型的第一电缆模型100，只需要建立二维物理模型来表示具体的物理层，因此，建立的第一电缆模型100为二维物理模型。在本申请实施例中，为了研究问题为热传导对第一电缆模型100的影响，选择的物理场可以为固体传热场，即温度场，以及为了分析不同的电流场对第一电缆模型100中的电场强度分布特征的影响，选择电流物理场。确定好第一电缆模型100所处的物理场后，通过有限元分析软件中的模拟开发器，根据实体模型的物理结构选择合适的几何图形建立二维物理模型。例如，经过对实际电力电缆的物理结构抽象出的二维物理模型为由里到外依次为缆芯110、导体屏蔽层120、绝缘层130、绝缘层屏蔽层140、金属护套150和外护套160的同心圆结构，因此，几何图形可以为圆形几何图形。

另外，可以根据实体模型物理结构选择二维物理模型的材料，完成第一电缆模型100的建立。详细地，第一电缆模型100中缆芯110的材料可以为铜导体或者铝导体，可选地，在本实施例中，第一电缆模型100中缆芯110材料为铜导体，铜导体具有良好的导电性能，且经济成本更低。第一电缆模型100中导体屏蔽层120的材料可以为半导电材料，如半导电橡胶和半导电塑料，可选地，在本实施例中，第一电缆模型100中导体屏蔽层120的半导电材料为半导电塑料，半导电塑料均匀电场效果佳，且经济成本更低。第一电缆模型100中绝缘层130的材料可以为聚氯乙烯、交联聚乙烯或者氟塑料，可选地，在本实施例中，第一电缆模型100中绝缘层130的材料为交联聚乙烯，交联聚乙烯机械性能和耐热性能更良好。第一电缆模型100中绝缘层屏蔽层140可以为以聚乙烯为基料加炭黑组成的半导电材料，可以有效防止相间短路故障发生。第一电缆模型100中金属护套150的材料可以为铝护套或者铅护套，可选地，在本实施例中，第一电缆模型100中金属护套150的材料为铝护套，铝护套接地以保证电力系统的正常运行。第一电缆模型100中外护套160的材料可以为聚氯乙烯外护套或者聚乙烯外护套，可选地，在本实施例中，第一电缆模型100中外护套160的材料为聚乙烯材料，耐热以及抗老化的性能好。

第一电缆模型100建立的过程，就是将第一电缆模型100的物理结构特征进行保存的过程，物理结构特征包括：每层物理结构的排列位置顺序，以及每层物理结构的材料。上面已经对每层物理结构的排列位置顺序，以及每层物理结构的材料进行了详细的说明，此处不再赘述。

步骤S12：根据所述物理结构特征和所述第一电缆模型100在所述空间中的预设受力情况，在所述空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型200。

由于研究第一电缆模型100在受力情况下产生的物理结构变化导致绝缘层130电场强度分布的改变，那么，确定出第一电缆模型100的受力情况是研究基础。确定第一电缆模型100的受力情况，就需要确定出一个受力分析位置。第一电缆模型100的受力分析位置可以是第一电缆模型100中缆芯110的轴心所在位置或者缆芯110与缆芯绝缘层120交界面，可选地，在本申请实施例中，第一电缆模型100的受力分析位置为第一电缆模型100中缆芯110的轴心。由于第一电缆模型100中缆芯110的轴心所在位置容易确定，因此，这可以使得第一电缆模型100的受力分析更为简单，且更容易直观的观察到第一电缆模型100在受力情况下第一电缆模型100的物理结构从旋转对称结构变成非旋转对称结构。

在第一电缆模型100建立过程中，第一电缆模型100中缆芯110的轴心线也可以作为第一电缆模型100的物理特征。根据确定出的轴心线，以及根据第一电缆模型100在空间中的预设受力情况为朝轴心线对应第一电缆模型100产生作用力，获得第一电缆模型100上的至少一个点的当前位置从受力前的第一位置位移到受力后的第二位置。

请参阅图4和图5，图4为第二电缆模型200的受力情况模拟图，图5示出了第二电缆模型200的物理结构模型。预设的受力包括：重力以及外界对第一电缆模型100的挤压力，挤压力的方向可以有多种。假设，以经过第一电缆模型100中缆芯110圆心的水平线作为基准，以水平线向右作为正方向，挤压力的方向可以为与水平方向成15度角的方向、与水平方向成45度角的方向或者与水平方向成135度角的方向。经过力的合成，确定外界对第一电缆模型100的挤压力的合力方向为远离垂直朝向于地心的方向。第一电缆模型100所受的重力再与外界对第一电缆模型100的挤压力合力进行力的合成，得到第一电缆模型100的合力方向为垂直朝向地心的方向。轴心线为经过缆芯110圆心的轴向线，把确定出的轴心线作为受力分析位置。在重力以及外部的挤压力的合力作用下，作为受力分析位置的轴心线上的多个点从受力前的第一位置沿着垂直朝向地心的方向位移到受力作用后的第二位置，位移距离为1厘米，从而形成了第二电缆模型200。

基于实际受力情况，缆芯110在受力情况下，由受力前第一位置下沉到受力后的第二位置，形成了第一电缆模型100下侧的绝缘层130变薄，上侧的绝缘层130变厚的结构。这样，由于受力情况的影响，造成缆芯110的位移，使得原本旋转对称的第一电缆模型100变成了非旋转对称的第二电缆模型200。

不同的预设受力情况以及不同的受力作用时间对第一电缆模型100中的缆芯110的位移情况影响不同。轴心线上的径向合力越大，缆芯110发生的位移距离越大，形成上侧的绝缘层130变得越厚，下侧的绝缘层130越薄，成为非旋转对称的第二电缆模型200。第二电缆模型200中的绝缘层130的分布情况相较于第一电缆模型100中的绝缘层130分布情况发生变化，导致绝缘层130的电场强度分布情况也随着发生改变。第一电缆模型100中的绝缘层130上下对称分布在缆芯110的外围，第二电缆模型200中的绝缘层130的分布情况变成上侧绝缘层130厚度变厚，以及下侧绝缘层130厚度变薄的。绝缘层130的分布变化使得绝缘层130每处的电压相较于绝缘层130对称分布时发生变化，以及温度场传导至绝缘层130每处的温度相较于缘层对称分布时发生变化，因此，第二电缆模型200的电场强度分布特征相较于第一电缆模型100的电场强度分布特征发生改变。

在实际应用中，旋转对称结构的直流高压电缆在使用过程中，经过受力和力作用时间的影响转变成了非旋转对称结构的直流高压电缆。因此，研究非旋转对称结构的具体电场强度分布特征，更准确地反应出实际应用场景，并且也能更好的分析绝缘层130的绝缘老化、击穿问题。

步骤S13：根据所述预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出所述第二电缆模型200的电场强度分布特征。

模拟对第二电缆模型200施加预设强度的电流场以及与预设的温度参数相关的物理场为预设温度梯度的温度场，预设温度梯度可以大于0，也可以等于0。直流高压电缆绝缘层130中的电场分布由电导率决定，对电流场的参数设定时，需要考虑到电导率的非线性变化特点，并且电导率为关于电场强度和温度两个相关因素的复合函数。电导率大小影响着电流场中电场强度大小，电场强度大小又影响着电导率的大小，以及温度影响着电导率的大小，进而影响电场强度大小。

假设，对第二电缆模型200施加预设强度的电流场，电流场的预设强度为3安，预设的温度参数相关的物理场为预设温度梯度的温度场为：缆芯110处的温度为50℃，绝缘层130的温度为30℃，以及缆芯110屏蔽层材料热传导性质使得传导缆芯110屏蔽层的温度为42℃。导体中的自由电荷在电场力的作用下做有规则的定向运动形成了电荷，因此，电流场的大小与所受电场力的大小相关，进而与电场的大小相关，也就是说，电流场的大小影响着电场。具有温度梯度的温度场的大小影响着导体的电导率，温度越高，电导率越小。电导率是用于描述导体中电荷流动难易程度，与电流的形成相关，进而，影响电场的大小。因此，温度场的大小也影响着电场。

当缆芯110上施加电压，金属护套150接地，缆芯110的导体屏蔽层120与绝缘层屏蔽层140之间可以由绝缘层130隔绝，绝缘层130在直流电场下，则可以存在微弱的电导电流。因此，施加预设强度的电流场模拟高压直流电缆在接通高压电压后，绝缘层130可以产生的电导电流。在电导电流存在的情况下，绝缘层130也可以存在着电场强度。

电流场中的电导率存在一个相关控制方程，相关控制方程如下：

式中，A为与绝缘层130材料有关的常数；B为场强；φ为活化能；q为电子电荷；T为当前时刻的温度，kb为玻尔兹曼常数。

确定第二电缆模型200当前时刻在电流场中的电场强度分布特征，并根据当前时刻的电场强度分布特征对在电流场中的电导率的反馈影响生成新的电导率，根据新的电导率确定当前时刻的新的电场强度分布特征；在确定当前时刻距起始时刻的时长达到预设时长时，确定当前时刻的电场强度分布特征为第二电缆模型200的电场强度分布特征。

电场强度影响着电导率，电导率的控制方程又与电场强度相关，因此，前一时刻的电场强度影响着当前时刻的电导率，电导率的改变又影响着当前时刻的电场强度。

第二电缆模型200施加了预设温度梯度的温度场，温度场能影响电导率，进而影响电场强度。温度场影响电场强度的过程为：温度场为加在缆芯110和金属护套150之间存在温度梯度的一个物理场，缆芯110与金属护套150之间存在温度梯度，那么就存在着温度传导。通过缆芯110和金属护套150之间设定不同的温度梯度，传导到绝缘层130处与缆芯110屏蔽层交界处的温度和绝缘层130与绝缘层屏蔽层140交界处的温度不同。绝缘层130处与缆芯110屏蔽层交界处的温度和绝缘层130与绝缘层屏蔽层140交界处的温度不同，那么绝缘层130每处的温度不同，基于电导率的相关控制方程，温度改变，电导率也随着温度变化。电导率变化，那么，电场强度也会发生变化。

详细地，温度场与电流场耦合，温度场耦合电流场，电流场非耦合温度场，温度场与电流场耦合是单向耦合。当绝缘层130处的温度升高，电导率变小。通过设置温度参数来设置缆芯110与金属护套150之间的温度梯度时，缆芯110处的温度高于金属护套150的温度。绝缘层130处与缆芯110屏蔽层交界处的温度和绝缘层130与绝缘层屏蔽层140交界处的温度，除了和缆芯110与绝缘层130之间设定的温度梯度相关联之外，还与缆芯110、缆芯绝缘层120、绝缘层130、绝缘层屏蔽层140以及金属护套150的材料相关。不同的缆芯110、缆芯绝缘层120、绝缘层130、绝缘层屏蔽层140以及金属护套150的材料，传导到绝缘层130处温度不同。

在确定缆芯110与金属护套150之间的温度梯度，以及缆芯110、缆芯绝缘层120、绝缘层130、绝缘层屏蔽层140以及金属护套150的材料后，在确定绝缘层130某一点的温度时，存在一个电缆绝缘层130温度分布理论公式，电缆绝缘层130温度分布理论公式为：

T(r)＝T_c+(To_ut-T_c)ln(r/R_c)/ln(Ro_ut/R_c)

其中，Rc和Tc分别为绝缘层130内半径和内侧温度；Rout和Tout分别为绝缘层130外半径和外侧温度；r为绝缘层130与缆芯110的轴心线的距离；T(r)为r处的温度。

根据上述电缆绝缘层130温度分布理论公式，可以确定绝缘层130中具体一点的温度大小，进一步地，通过当前时刻的已知参数，得到电导率的大小。

在建立第一电缆模型100后，还需要对第一电缆模型100施加一个具有预设电势差的电压激励，模拟实际应用中，直流高压电缆用于输送电能的过程。电压激励用于为第一电缆模型100提供激励源，激励源可以提供分析第一电缆模型100电场强度分布特征时所需要的电压，进而产生电场。将设置相关参数对第一电缆模型100施加电压激励从而建立起电场的当前时刻作为起始时刻，将电场施加在第一电缆模型100和第二电缆模型200的预设时长作为结束电场强度与电导率循环迭代的预设时长，当在确定当前时刻距起始时刻的时长达到预设时长时，确定当前时刻的电场强度分布特征为第二电缆模型200的电场强度分布特征。

对第一电缆模型100开始施加具有预设电势差的电压激励，并且在根据第一电缆模型100的物理结构特征以及在空间中的预设受力情况生成第二电缆模型200后继续施加具有预设电势差的电压激励。施加的电压激励影响电场的分布，第二电缆模型200中绝缘层130中每处电场相较于第一电缆模型100已经发生改变。向第二电缆模型200施加具有预设强度的电流场，与电流场相关的电导率影响着第二电缆模型200绝缘层130中的电场的分布。向第二电缆模型200施加具有预设温度梯度的温度场，温度场影响电流场中的电导率，进一步地影响第二电缆模型200绝缘层130中的电场的分布。电流场、温度场同时作用于第二电缆模型200，通过在限元分析软件中对相关参数的设置以及在限元分析软件的处理，获得第二电缆模型200的电场强度分布特征。

在模拟过程中，改变施加在缆芯110上的电压值，且保持当前设置的温度参数不变，使得缆芯110至金属护套150之间的电势发生改变，得到在具有不同电势差的电压激励下的电场强度分布特征，模拟电缆在实际使用中，在输送不同电压值的电压的情况下，电缆的电场强度分布特征变化情况。

在模拟过程中，改变施加在缆芯110与金属护套150之间的温度梯度值，且保持当前设置的电压激励的相关参数不变，得到在具有不同温度梯度下的电场强度分布特征，模拟电缆在实际使用中，在不同的温度的情况下，电缆的的电场强度分布特征变化情况。

另外，可以在模拟过程中，改变与预设受力情况相关的结构力学参数，模拟电缆随着使用时间，缆芯110位置相较于处于旋转对称结构时的缆芯110位置发生位移的情况。随着时间的增加，处于非旋转对称结构时的缆芯110相较于处于旋转对称结构时的缆芯110位置偏移越大。

结合上述几种模拟过程，可以获得第二电缆模型200在不同的预设受力情况，具有不同温度的温度场，以及不同的电压激励对电场强度分布特征的影响结果。假设，第二电缆模型200在第一预设受力情况下，缆芯110由第一位置到第二位置的位移距离为0.5厘米，模拟电缆的使用时间为6个月后的物理结构变化情况，第二电缆模型200在第二预设受力情况下，缆芯110由第一位置到第二位置的位移距离为1.2厘米，模拟电缆的使用时间为18个月后的物理结构变化情况，缆芯110由第一位置到第二位置的位移距离为1.5厘米，模拟电缆的使用时间为24个月后的物理结构变化情况；具有第一预设电势差的电压值为66KV,具有第二预设电势差的电压值为110KV，具有第三预设电势差的电压值为160KV；与第一预设的温度参数相关的具有温度梯度的温度场为：缆芯110处的温度为50℃，金属护套150处的温度为38℃，与第二预设的温度参数相关的具有温度梯度的温度场为：缆芯110处的温度为45℃，金属护套150处的温度为35℃，与第一预设的温度参数相关的具有温度梯度的温度场为：缆芯110处的温度为40℃，金属护套150处的温度为34℃。当基于有限元分析软件设置相关参数，获得一组第二电缆模型200在保持具有电势差的电压激励和温度场不变，改变预设受力情况下的关于预设受力情况影响电场强度分布特征。当基于有限元分析软件设置相关参数，获得一组第二电缆模型200在保持预设受力情况和温度场不变，改变具有电势差的电压激励下的关于具有电势差的电压激励影响电场强度分布特征。当基于有限元分析软件设置相关参数，获得一组第二电缆模型200在保持预设受力情况和具有电势差的电压激励不变，改变具有温度梯度的温度场下的关于具有温度梯度的温度场影响电场强度分布特征。可以通过对获得的每组电场强度分布特征进行描图分析，可以清楚地得到单一变换一个相关参数时，电场强度分布特征的变化规律，确定该相关参数对电场强度分布特征的影响作用，进一步地在实际使用电力电缆中将电场强度分布特征的变化规律进行合理的利用。

通过对旋转对称结构的第一电缆模型100与非旋转对称结构的第二电缆模型200的电场强度分布特征分析，可以得到下述结论：以经过缆芯110圆心的水平线作为基准线，在基准线以上距离缆芯110圆心的距离为正，在基准线以下距离缆芯110圆心的距离为负。在基准线以上距离缆芯110圆心的距离为正的部分以内，且处于具有同一预设温度的温度场中时，旋转对称结构的第一电缆模型100的绝缘层130的电场强度大于非旋转对称结构的第二电缆模型200的绝缘层130的电场强度。在基准线以下距离缆芯110圆心的距离为负的部分以内，且处于具有同一预设温度的温度场中时，旋转对称结构的第一电缆模型100的绝缘层130的电场强度小于非旋转对称结构的第二电缆模型200的绝缘层130的电场强度。

另外，电力电缆长期高温运行后，电力电缆会发生老化、产生缺陷，缺陷包括在绝缘层130内部产生水树、空穴。水树为在绝缘中存在水分、电应力和某些诱发因素，如杂质、突起、空间电荷或离子时发展成的一些微通道，在交流电场和水分的作用下，水树是聚合物绝缘材料发生降解的一种现象，在潮气和电场的共同作用下，水树是诱发高压电力电缆破坏的主要原因。水树可以分为管状水树和领结状水树，管状水树又称发散形水树，是从绝缘屏蔽层或导体屏蔽层开始发展起来的水树，所以又称内导型水树和外导型水树；领结状水树又称蝴蝶型水树，由绝缘层130中的杂质或其他缺陷处开始以直径方向向绝缘屏蔽和导体屏蔽发展的水树。

为了分析水树缺陷对第二电缆模型200的电场强度分布特征的影响，在建立第一电缆模型100后，可以在根据物理结构特征和第一电缆模型100在空间中的预设受力情况，生成非旋转对称结构的第二电缆模型200时，将水树缺陷添加到第二电缆模型200中，生成具有水树缺陷的第二电缆模型200。在本实施例中，不同时期的水树缺陷采用不同尺寸的空心小孔模拟，空心小孔的位置模拟水树位于第二电缆模型200的不同位置，以及将空心小孔的材料设置为水树的材料。

假设，在缆芯110的轴心以下的结构中，在靠近导体屏蔽层120的绝缘层130中以直径1μm的空心小孔作为水树1，在靠近绝缘层屏蔽层140的绝缘层130中以直径1μm的空心小孔作为水树2，模拟水树在绝缘层130中的不同位置对电场的影响。经过水树1的横截面，用不同长度的水平线的连接线1连接水树1的与绝缘层130交界的两端；经过水树2的横截面，用不同长度的水平线的连接线2连接水树2的与绝缘层130交界的两端，以模拟在缆芯110的轴心以下结构中，水树在不同水平位置对电场的影响。

在第二电缆模型200中加入水树缺陷，可以研究缺陷部分电场强度分布特征，进而得到空间电荷的积累对电场强度分布的影响。通过对水树缺陷内不同位置的电场强度分布分析，可以得到：水树缺陷与绝缘层130交界处的电场强度有一个激增，也就是说，在水树缺陷与绝缘层130交界处的电场强度为电场强度的最大值。

通过在第二电缆模型200中加入水树缺陷，可以更准确地模拟电缆在实际应用中的电场强度分布特征，根据分析获得的电场强度分布特征，进一步地在实际使用电力电缆中将电场强度分布特征的规律进行合理的利用。

第三实施例

请参阅图3，本申请实施例提供了一种电缆分析装置20，该电缆分析装置20包括：

第一模型建立模块210，用于在空间中建立为旋转对称结构的，并获得第一电缆模型的物理结构特征。

第二模型建立模块220，用于根据物理结构特征和第一电缆模型在空间中的预设受力情况，在空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型。

分析模块230，用于根据预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出第二电缆模型的电场强度分布特征。

其中，物理结构特征包括第一电缆模型中缆芯的轴心线，第二模型建立模块220还用于，根据轴心线，以及根据第一电缆模型在空间中的预设受力情况为朝轴心线对应第一电缆模型产生作用力，获得第一电缆模型上的至少一个点的当前位置从受力前的第一位置位移到受力后的第二位置；基于位于第二位置的至少一个点在空间生成非旋转对称结构的第二电缆模型。

模拟对第二电缆模型施加预设强度的电流场，分析模块230还用于，确定第二电缆模型当前时刻在电流场中的电场强度分布特征，并根据当前时刻的电场强度分布特征对在电流场中的电导率的反馈影响生成新的电导率，根据新的电导率确定当前时刻的新的电场强度分布特征；在确定当前时刻距起始时刻的时长达到预设时长时，确定当前时刻的电场强度分布特征为第二电缆模型的电场强度分布特征。

分析模块230，还用于模拟对第一电缆模型施加电压激励，电压激励用于为第一电缆模型提供电场以获得第一电缆模型在电场中产生的电场强度。

分析模块230还用于，在调整温度参数获得调整后的温度参数，基于调整后的温度参数产生温度场时，根据温度场与基于预设电流参数建立的电流场耦合，获得新的电导率。

需要说明的是，由于所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

综上所述，本申请实施例提供了一种电缆分析方法及装置。方法包括：在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得第一电缆模型的物理结构特征；根据物理结构特征和第一电缆模型在空间中的预设受力情况，在空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型；根据预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出第二电缆模型的电场强度分布特征。基于旋转对称结构的第一电缆模型生成非旋转对称结构的第二电缆模型，充分考虑到了电缆实际使用中电缆的物理结构发生改变的应用场景。因此，建立非旋转对称的第二电缆模型，对电场强度分布特征进行分析，得到的规律，可以更准确地反应实际应用中电缆的电场强度分布特征。进一步地，基于获得的准确度更高的电场强度分布特征规律，更好地研究电缆中绝缘层的绝缘层老化、击穿的特点，为高压电力设备的安全高效运行提供保障。因此，本发明解决了模拟分析出的电场强度分布特征与实际电场强度分布特征存在较大差异的技术问题。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电缆分析方法，其特征在于，所述方法包括：

在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得所述第一电缆模型的物理结构特征；

根据所述物理结构特征和所述第一电缆模型在所述空间中的预设受力情况，在所述空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型；

根据所述预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出所述第二电缆模型的电场强度分布特征。

2.根据权利要求1所述的电缆分析方法，其特征在于，所述物理结构特征包括所述第一电缆模型中缆芯的轴心线，所述根据所述物理结构特征和所述第一电缆模型在所述空间中的预设受力情况，在所述空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型，包括：

根据所述轴心线，以及根据所述第一电缆模型在所述空间中的预设受力情况为朝所述轴心线对应所述第一电缆模型产生作用力，获得所述第一电缆模型上的至少一个点的当前位置从受力前的第一位置位移到受力后的第二位置；

基于位于所述第二位置的至少一个点在所述空间生成所述非旋转对称结构的第二电缆模型。

3.根据权利要求1所述的电缆分析方法，其特征在于，模拟对所述第二电缆模型施加预设强度的电流场，所述根据所述预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出所述第二电缆模型的电场强度分布特征，包括：

确定所述第二电缆模型当前时刻在所述电流场中的电场强度分布特征，并根据当前时刻的所述电场强度分布特征对在所述电流场中的电导率的反馈影响生成新的所述电导率，根据新的所述电导率确定当前时刻的新的所述电场强度分布特征；

在确定当前时刻距起始时刻的时长达到预设时长时，确定当前时刻的所述电场强度分布特征为所述第二电缆模型的电场强度分布特征。

4.根据权利要求1所述的电缆分析方法，其特征在于，在所述在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得所述第一电缆模型的物理结构特征之后，在根据所述物理结构特征和所述第一电缆模型在所述空间中的预设受力情况，在所述空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型之前，所述方法还包括：

模拟对所述第一电缆模型施加电压激励，所述电压激励用于为所述第一电缆模型提供电场以获得所述第一电缆模型在所述电场中产生的电场强度。

5.根据权利要求1所述的电缆分析方法，其特征在于，所述根据所述预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出所述第二电缆模型的电场强度分布特征之后，所述方法还包括：

调整所述温度参数获得调整后的所述温度参数，基于调整后的所述温度参数产生温度场；

根据所述温度场与基于所述预设电参数建立的电流场耦合，获得新的电导率。

6.一种电缆分析装置，其特征在于，所述装置包括：

第一模型建立模块，用于在空间中建立为旋转对称结构的第一电缆模型，并获得所述第一电缆模型的物理结构特征；

第二模型建立模块，用于根据所述物理结构特征和所述第一电缆模型在所述空间中的预设受力情况，在所述空间中生成非旋转对称结构的第二电缆模型；

分析模块，用于根据所述预设受力情况、预设的温度参数和预设的电参数，确定出所述第二电缆模型的电场强度分布特征。

7.根据权利要求6所述的电缆分析装置，其特征在于，所述物理结构特征包括所述第一电缆模型中缆芯的轴心线，所述第二模型建立模块还用于，根据所述轴心线，以及根据所述第一电缆模型在所述空间中的预设受力情况为朝所述轴心线对应所述第一电缆模型产生作用力，获得所述第一电缆模型上的至少一个点的当前位置从受力前的第一位置位移到受力后的第二位置；

基于位于所述第二位置的至少一个点在所述空间生成所述非旋转对称结构的第二电缆模型。

8.根据权利要求所述的电缆分析装置，其特征在于，模拟对所述第二电缆模型施加预设强度的电流场，所述分析模块还用于，确定所述第二电缆模型当前时刻在所述电流场中的电场强度分布特征，并根据当前时刻的所述电场强度分布特征对在所述电流场中的电导率的反馈影响生成新的所述电导率，根据新的所述电导率确定当前时刻的新的所述电场强度分布特征；在确定当前时刻距起始时刻的时长达到预设时长时，确定当前时刻的所述电场强度分布特征为所述第二电缆模型的电场强度分布特征。

9.根据权利要求6所述的电缆分析装置，其特征在于，所述分析模块，还用于模拟对所述第一电缆模型施加电压激励，所述电压激励用于为所述第一电缆模型提供电场以获得所述第一电缆模型在所述电场中产生的电场强度。

10.根据权利要求6所述的电缆分析装置，其特征在于，所述分析模块还用于，在调整所述温度参数获得调整后的所述温度参数，基于调整后的所述温度参数产生温度场时，根据所述温度场与基于所述预设电流参数建立的电流场耦合，获得新的电导率。