CN110362880A - 一种oplc缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法。该方法包括步骤：首先，对OPLC进行几何建模；其次，选择OPLC各结构相对应的材料与材料参数；再次，设置有限元求解条件，设置电流场、固体传热场、固体力学场的边界条件；同时，对OPLC缆的截面进行自由三角形网格剖分后扫掠，随后进行耦合计算；然后，得到OPLC温度场分布、应变分布；最后，把OPLC对光纤温度与应变的影响带入光纤衰减仿真中，得到OPLC缆中光纤的衰减。本发明基于有限元方法的多物理场耦合仿真更容易得到OPLC缆中光纤衰减特性受OPLC缆运行过程中电流、温度分布、应变的影响，所得到的光纤衰减结果更加准确，对OPLC缆中光纤衰减的研究具有重要的指导意义。

Description

一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法

技术领域

本发明属于光纤复合低压电缆OPLC技术领域，具体涉及一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法。

背景技术

OPLC是一种由绝缘线芯和光传输单元复合而成的具有输送电能和光通信能力的线缆，能够同时提供电力和信息的传输，适用于额定电压0.6/1(1.2)kV及以下的电力工程。OPLC使得原本需要敷设的电线、网线、电话线、有线电视线等多条线路的复杂工程并为一体化施工，实现了四网合一，不仅简化了安装流程，也大大节省了线路资源和管道资源。同时其具有信息化、自动化、互动化等方面的优势，是“智能电网”的终端主流产品，可为用户带来更加便利和现代化的生活方式。

基于有限元方法的多物理场耦合仿真软件，广泛用于多物理场的数值求解。目前，已有研究对电缆进行电热耦合分析，但是，对于电缆中相互作用产生的应变，以及热场和应变对于OPLC缆中光纤传输衰减的影响，电热耦合分析无法得到结果。因此，对OPLC缆进行电、热、力、光多物理场耦合对于缆中光纤衰减特性的研究具有重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，得到OPLC缆中光纤的衰减特性受OPLC缆运行过程中电流、温度分布、应变的影响。

为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案予以实现：

一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，包括以下步骤：

1)根据OPLC缆中的设计参数和各材料的物理参数，建立基于有限元的OPLC缆的几何模型；

2)对仿真模型进行电流、固体传热、固体力学的约束条件进行设置，随后对仿真模型进行网格剖分，得到OPLC的仿真模型；

3)对步骤1)和步骤2)建立的仿真模型进行计算，求解OPLC缆中各结构的温度，得到OPLC缆中光纤的应变大小，将OPLC对光纤温度与应变的影响带入光纤衰减仿真中，分析得出OPLC光纤衰减。

本发明进一步的改进在于，步骤1)包括以下步骤：

根据OPLC缆中的设计参数和各材料的物理参数，在多物理场耦合仿真软件COMSOLMultiphysics中建立基于有限元的OPLC缆的仿真模型。

本发明进一步的改进在于，OPLC缆的设计参数包括导体、绝缘、填充、绕包带、外护套和光单元，其中光单元包括耐热层、护套、加强件和单模光纤；OPLC缆的耦合仿真材料参数包括电导率、导热系数、热膨胀系数、常压热容、相对介电常数、密度、杨氏模量、泊松比，以及光纤的纤芯半径、包层半径、折射率、光波长、传播系数和一阶贝塞尔函数值物理参数值。

本发明进一步的改进在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：

正确接通OPLC缆，得到有电流通过的导体产生的焦耳热，并设置在运行过程中相对固定的结构作为缆中其他处于自由状态的结构产生变化的参考。

本发明进一步的改进在于，有电流通过的导体为热源，OPLC置于常温空气中，OPLC外护套与空气接触并产生边界对流热通量。

本发明进一步的改进在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：

31)根据步骤1)和步骤2)建立的仿真模型，采集导体中通过的电流产生的焦耳热，计算得到OPLC缆各结构的温度：

当电流流经导体时，由导体产生的焦耳热会在OPLC中传导，导致OPLC不同结构的温度不同，焦耳热的值通过导体的热量与运行电流之间的关系得到，由电阻定律和欧姆定律可知：

其中σ是电导率，L是OPLC中导体的长度，z是指示电流方向的方向矢量；

为了将电热耦合，先找出焦耳热Q与电流之间的关系，焦耳热由(2)式给出：

Q＝J·E (2)

焦耳热是由于电流引起的功率损耗，表示电能转化为热能的能量损失，焦耳热是由热源，即有电流持续通过的导体传递的功率损耗；

根据定义，传热过程中OPLC各部分热量和电流传递过程中的功率损耗守恒定义如(3)所示：

其中ρ是密度，C_p是比热容，T是绝对温度，q是导热通量；在连续介质中，傅里叶热传导定律表明传导热通量与温度梯度成正比，故得(4)式：

其中比例系数k是热导率，取正值，表示热量从高温区向低温区流动；热量的流动使得电流产生的热量影响了OPLC各结构的温度，包括使得光单元中光纤的温度发生了变化；

32)通过光单元中温度发生的变化及光纤的物理参数，计算得到OPLC缆中光纤的应变大小如(5)式计算而得：

ε＝αΔT＝α(T-T_ref) (5)

其中，α为热膨胀系数，单位为1/K；T为OPLC运行后光纤的温度，T_ref为OPLC未运行时光纤的温度，Δt为二者之差；热应力p₀与应变ε存在线性关系，关系如(6)式所示：

p0＝Eε (6)

其中E是杨氏模量，单位是N/m²；

33)OPLC中的导体有电流流过时，电流产生的热量会导致缆中光纤的温度发生改变；同时，由于温度改变导致的热膨胀对光纤的应力分布也会产生影响；OPLC中其他部位由于热膨胀会使光纤受到外力作用，从而使光纤有弹光效应，使折射率发生改变；应力通过影响光纤的介电不渗透性张量Δβ对光纤折射率的变化Δn产生影响，其关系式如(7)式所示：

其中，P为弹光系数，S为劲度系数，n₀为光纤纤芯在无应力作用时的折射率；

折射率的变化通过功率流对光功率产生影响，光纤的纤芯和包层中的功率流如(8)式所示：

其中，光纤轴向分量及其带入纤芯和包层电磁成分量的表达式如式(9)-(12)所示，计算得出纤芯和包层中的总光功率的改变；

S_z＝E_xH_y-E_yH_x (9)

光纤衰减由通过光纤的光功率变化计算而得，从而得出折射率的变化对光纤衰减的影响；由上述分析得出，光纤复合低压电缆的运行过程中，光纤衰减的变化是电、热、力共同作用的结果，光学特性在多物理场共同作用下发生改变。

本发明采用如下技术方案来实现的：

本发明提供的一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，利用此方法，可以得到OPLC缆中多物理场之间的关系，直观了解OPLC缆在运行过程中各结构的电、热、力学等特性，为充分了解OPLC缆在运行过程中缆中光纤衰减特性研究提供理论依据；

本发明将多种物理场结合，可以得到在运行中的OPLC缆产生的焦耳热对OPLC缆温度分布的影响；温度的变化致使各结构之间产生相互作用，由此可以得到OPLC缆各结构产生的应变对OPLC缆光单元中的光纤的作用；光纤在OPLC运行产生温度与应变的作用下致使光信号在光纤中的衰减发生变化。故本发明有利于准确得到各物理场对光纤衰减产生影响的条件。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是OPLC缆模型的结构示意图；

图3是OPLC缆中光单元模型的结构示意图；

图4是OPLC仿真边界条件设置示意图；

图5是OPLC缆不同电流下各结构温度曲线；

图6是OPLC缆中光纤应变随温度变化曲线；

图7是OPLC缆中光纤折射率随温度变化曲线；

图8是OPLC缆中光纤衰减随恩度变化曲线。

附图标记说明：1为导体，2为绝缘，3为光单元，4为填充，5为绕包带，6为外护套，7为热源，301为耐热层，302为护套，303为单模光纤，304为加强件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，其流程图如图1所示，包括以下步骤：

1)根据OPLC缆中的设计参数和各材料的物理参数，建立基于有限元的OPLC缆的仿真模型；

2)对仿真模型进行电流、固体传热、固体力学的约束条件进行设置，随后对仿真模型进行网格剖分，得到OPLC的仿真模型；

3)对步骤1)和步骤2)建立的仿真模型进行计算，求解OPLC缆中各结构的温度，得到OPLC缆中光纤的应变大小，将OPLC对光纤温度与应变的影响带入光纤衰减理论公式中，分析得出OPLC光纤的衰减。OPLC缆温度分布图如图5所示，光纤应变分布云图如图6所示；

步骤1)根据OPLC缆中的设计参数和各材料的物理参数，在多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics中建立基于有限元的OPLC缆的仿真模型。以OPLC-WDZ-YJY-0.6/1kV-3*10+GQ-2B6a复合缆为研究对象，基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件进行参数化几何建模，模型包括导体1、绝缘2、填充4、绕包带5、外护套6和光单元3，其中光单元3包括耐热层301、护套302、加强件304和单模光纤303；OPLC缆模型结构示意图如图2，光单元结构如图3所示；

OPLC缆的耦合仿真材料参数包括电导率、导热系数、热膨胀系数，以及光纤的纤芯半径、包层半径、泊松比、杨氏模量、折射率、光波长、传播系数、一阶贝塞尔函数值等物理参数值。OPLC缆的材料参数、光纤相关参数值分别如表1、表2所示。

表1 OPLC-WDZ-YJY-0.6/1kV-3*10+GQ-2B6a技术参数

表2 OPLC-WDZ-YJY-0.6/1kV-3*10+GQ-2B6a缆中光纤参数

步骤2)正确接通OPLC缆，得到有电流通过的导体产生的焦耳热。有电流通过的导体为热源7，OPLC置于常温空气中，OPLC外护套与空气接触并产生边界对流热通量。热源7如图4所示。

步骤3)根据建立的仿真模型，采集导体中通过的电流计算焦耳热，计算OPLC缆各结构的温度，不同电流对应的导体、填充、光纤温度结果如图5所示。当通过导体的电流为100A时，得到光纤温度为74.3℃。计算OPLC缆中光纤在不同电流下受各结构作用产生的应变，其与光纤温度的对应结果如图6所示。电流为100A时，光纤应变稳定后的值为948.2με。光纤纤芯折射率随之发生改变，各电流对应的光纤温度与折射率的关系如图7所示。折射率的改变导致光纤衰减产生变化，各电流对应的光纤温度与光纤衰减的对应关系如图8所示。当电流为100A时，光纤衰减与0A相比增加了约0.045dB/km。

Claims (6)

1.一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据OPLC缆中的设计参数和各材料的物理参数，建立基于有限元的OPLC缆的几何模型；

2)对仿真模型进行电流、固体传热、固体力学的约束条件进行设置，随后对仿真模型进行网格剖分，得到OPLC的仿真模型；

3)对步骤1)和步骤2)建立的仿真模型进行计算，求解OPLC缆中各结构的温度，得到OPLC缆中光纤的应变大小，将OPLC对光纤温度与应变的影响带入光纤衰减仿真中，分析得出OPLC光纤衰减。

2.根据权利要求1所述的一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，其特征在于，步骤1)包括以下步骤：

根据OPLC缆中的设计参数和各材料的物理参数，在多物理场耦合仿真软件COMSOLMultiphysics中建立基于有限元的OPLC缆的仿真模型。

3.根据权利要求2所述的一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，其特征在于，OPLC缆的设计参数包括导体、绝缘、填充、绕包带、外护套和光单元，其中光单元包括耐热层、护套、加强件和单模光纤；OPLC缆的耦合仿真材料参数包括电导率、导热系数、热膨胀系数、常压热容、相对介电常数、密度、杨氏模量、泊松比，以及光纤的纤芯半径、包层半径、折射率、光波长、传播系数和一阶贝塞尔函数值物理参数值。

4.根据权利要求3所述的一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：

正确接通OPLC缆，得到有电流通过的导体产生的焦耳热，并设置在运行过程中相对固定的结构作为缆中其他处于自由状态的结构产生变化的参考。

5.根据权利要求4所述的一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，其特征在于，有电流通过的导体为热源，OPLC置于常温空气中，OPLC外护套与空气接触并产生边界对流热通量。

6.根据权利要求5所述的一种OPLC缆中光纤衰减特性多物理场仿真建模方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：

31)根据步骤1)和步骤2)建立的仿真模型，采集导体中通过的电流产生的焦耳热，计算得到OPLC缆各结构的温度：

当电流流经导体时，由导体产生的焦耳热会在OPLC中传导，导致OPLC不同结构的温度不同，焦耳热的值通过导体的热量与运行电流之间的关系得到，由电阻定律和欧姆定律可知：

其中σ是电导率，L是OPLC中导体的长度，z是指示电流方向的方向矢量；

为了将电热耦合，先找出焦耳热Q与电流之间的关系，焦耳热由(2)式给出：

Q＝J·E (2)

焦耳热是由于电流引起的功率损耗，表示电能转化为热能的能量损失，焦耳热是由热源，即有电流持续通过的导体传递的功率损耗；

根据定义，传热过程中OPLC各部分热量和电流传递过程中的功率损耗守恒定义如(3)所示：

其中ρ是密度，C_p是比热容，T是绝对温度，q是导热通量；在连续介质中，傅里叶热传导定律表明传导热通量与温度梯度成正比，故得(4)式：

q＝-k▽T (4)

其中比例系数k是热导率，取正值，表示热量从高温区向低温区流动；热量的流动使得电流产生的热量影响了OPLC各结构的温度，包括使得光单元中光纤的温度发生了变化；

32)通过光单元中温度发生的变化及光纤的物理参数，计算得到OPLC缆中光纤的应变大小如(5)式计算而得：

ε＝αΔT＝α(T-T_ref) (5)

其中，α为热膨胀系数，单位为1/K；T为OPLC运行后光纤的温度，T_ref为OPLC未运行时光纤的温度，Δt为二者之差；热应力p₀与应变ε存在线性关系，关系如(6)式所示：

p₀＝Eε (6)

其中E是杨氏模量，单位是N/m²；

33)OPLC中的导体有电流流过时，电流产生的热量会导致缆中光纤的温度发生改变；同时，由于温度改变导致的热膨胀对光纤的应力分布也会产生影响；OPLC中其他部位由于热膨胀会使光纤受到外力作用，从而使光纤有弹光效应，使折射率发生改变；应力通过影响光纤的介电不渗透性张量Δβ对光纤折射率的变化Δn产生影响，其关系式如(7)式所示：

其中，P为弹光系数，S为劲度系数，n₀为光纤纤芯在无应力作用时的折射率；

折射率的变化通过功率流对光功率产生影响，光纤的纤芯和包层中的功率流如(8)式所示：

其中，光纤轴向分量及其带入纤芯和包层电磁成分量的表达式如式(9)-(12)所示，计算得出纤芯和包层中的总光功率的改变；

S_z＝E_xH_y-E_yH_x (9)

光纤衰减由通过光纤的光功率变化计算而得，从而得出折射率的变化对光纤衰减的影响；由上述分析得出，光纤复合低压电缆的运行过程中，光纤衰减的变化是电、热、力共同作用的结果，光学特性在多物理场共同作用下发生改变。