CN111062163A - 交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法和系统，其特征在于，包括以下步骤：1)获取待测交流海底电缆的环境因素的特征值和电、力、热学属性值，并将获取的环境因素的特征值和电、力、热学属性值带入至预先构建的交流海底电缆的电‑力‑热耦合模型中，得到待测交流海底电缆的电‑力‑热耦合模型；2)对待测交流海底电缆的电‑力‑热耦合模型进行电‑力‑热多物理场仿真计算，通过电场、温度场和应力场方程，考虑待测交流海底电缆的电‑力‑热耦合模型的边界条件，得到待测交流海底电缆的电场、温度场和应力场分布，本发明可以广泛应用于设备特性和故障分析领域中。
Description
技术领域
本发明是关于一种交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法和系统，属于设备特性和故障分析领域。
背景技术
近年来，随着海上石油、风电等资源的开发，海上平台电力系统快速发展。高压海底电缆作为海上电力传输的关键设备，应用越来越广泛。35kV三芯交流海底电缆多用于海上石油勘探平台之间的电力系统互联，是海上电力系统中最重要的环节。三芯交流海缆的安全可靠运行是海上油气生产的重要保障。由于海底环境的复杂性和特殊性，海缆的运行工况相较陆上电缆更为恶劣；海缆运行时需承受电、热、机械应力等多物理场作用，此外，洋流冲刷、环境温度、海水腐蚀和海洋运动等海上因素对海缆的影响很大，其最终表现在对多物理场特性的影响。目前，用于监测海缆运行状态的内部光纤采集的信号来自于海缆本体的电、力、热等物理量，因此，构建交流海底电缆的多物理场耦合模型，研究电-力-热分布特性对海缆的安全可靠运行具有重要意义。
一般海缆埋设于海底土壤环境中，可减小洋流冲刷、锚害等外部因素的影响。然而，土壤环境、海缆本体运行特性会导致海缆电场集中、温度过高和应力集中等问题。构建海底电缆的多物理场耦合模型可以有效分析多因素对海缆的影响，是研究海缆故障特性和机理的基础。然而，现有的研究大多针对单一物理场进行分析，缺乏海缆工况和多物理场间的关联，仿真结果分散性较大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有海缆工况和多物理场间关联的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法和系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，包括以下步骤：1)获取待测交流海底电缆的环境因素的特征值和电、力、热学属性值，并将获取的环境因素的特征值和电、力、热学属性值带入至预先构建的交流海底电缆的电-力-热耦合模型中，得到待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型；2)对待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型进行电-力-热多物理场仿真计算，通过电场、温度场和应力场方程，考虑待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型的边界条件，得到待测交流海底电缆的电场、温度场和应力场分布。
进一步地，所述步骤1)中交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建过程为：A)根据交流海底电缆的埋设工况，对交流海底电缆进行几何建模，建立交流海底电缆的二维结构模型，包括交流海底电缆本体和海底土壤环；B)设置交流海底电缆的二维结构模型中各层结构材料的电、力、热学属性值，并对二维结构模型进行划分，得到交流海底电缆耦合模型；C)根据交流海底电缆运行时导体的电压电流，计算交流海底电缆的导体损耗、介质损耗和金属损耗；D)根据交流海底电缆的导体损耗、介质损耗和金属损耗以及设置的电、力、热学属性值，设置交流海底电缆耦合模型的电-热耦合和热-力耦合；E)根据交流海底电缆的规格和环境因素的特征值，设置交流海底电缆耦合模型中线芯导体的电压电流载荷，并设置交流海底电缆耦合模型的电场、温度场和应力场的边界条件，完成交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建。
进一步地，所述交流海底电缆包括线芯、光纤单元、填充层、内衬层、铠装层和外被层，其中，所述线芯包括从内向外设置的铜导体、绝缘层、屏蔽层、阻水层、第一金属护套和第一PE护套，所述光纤单元包括从内向外设置的光纤、第二金属护套和第二PE护套；所述填充层内设置有线芯和光纤单元，所述填充层的外侧从内向外依次设置有所述内衬层、铠装层和外被层。
进一步地，所述步骤B)的具体过程为：a)设置交流海底电缆的二维结构模型中各层结构材料的电、力、热学属性值，其中，电学属性值包括电导率、相对介电常数和损耗因子，热学属性值包括密度、比热容和导热系数，力学属性值包括热膨胀系数、弹性模量和泊松比；b)对交流海底电缆的二维结构模型的绝缘层内外两侧边界和光纤单元处均进行细化划分处理，对交流海底电缆的二维结构模型的填充层及外部土壤环境处进行粗略划分处理。
进一步地，所述步骤a)中：铜导体的电导率σCU(T)、绝缘层的电导率σXLPE(E,T)分别为：
其中，ρ0为T0温度下导体的电阻率；α为温度系数；A为与材料有关的系数；
为活化能；T为温度；q为电子电荷量；kB为玻尔兹曼常数；β为电场系数；E为弹性模量。
进一步地，所述步骤C)中交流海底电缆的导体损耗W1为：
W1＝I2R
其中，I为电流；R为导体交流电阻；
交流海底电缆的介质损耗W2为：
其中，ω为角频率；C为电容；U0为电压；tan δ为损耗因子；
交流海底电缆的金属损耗W3为：
W3＝λW1
其中，λ为交流电压在金属护套和铠装层中产生的环流损耗系数，且：
其中，RS为金属护套和铠装层的电阻；R为导体交流电阻；X为金属护套和铠装层的电抗。
进一步地，所述步骤E)的具体过程为：I)根据交流海底电缆的规格和环境因素的特征值，设置交流海底电缆耦合模型中的电压电流载荷；II)根据交流海底电缆的环境因素的特征值，设置交流海底电缆耦合模型的电场、温度场和应力场的边界条件，完成交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建。
进一步地，所述步骤II)的具体过程为：①交流海底电缆耦合模型的电场边界条件设置为屏蔽层接地；②交流海底电缆耦合模型的温度场边界条件设置为：交流海底电缆耦合模型的下边界设置为传热学第一类边界条件；交流海底电缆耦合模型的左右侧边界设置为传热学第二类边界条件；交流海底电缆耦合模型的上边界设置为传热学第三类边界条件；③交流海底电缆耦合模型的应力场边界条件设置为交流海底电缆的中心固定约束，完成交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建。
进一步地，所述步骤2)中的电场、温度场和应力场方程分别为：电场方程：
其中，σ为电导率；ω为角频率；ε为相对介电常数；V为电势；温度场方程：
其中，ρ为材料密度；c为材料比热容；k为导热系数；qV为体积产热率；T为工作温度；(x,y)为交流海底电缆的位置坐标；t为时间；
应力场方程：
ε＝α(T-Tref)
σ＝Eε
其中，ε为热膨胀应变；α为热膨胀系数；Tref为常温；E为弹性模量。
一种交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真系统，包括：数据获取模块，用于获取待测交流海底电缆的环境因素的特征值和电、力、热学属性值，并将获取的环境因素的特征值和电、力、热学属性值带入至预先构建的交流海底电缆的电-力-热耦合模型中，得到待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型；仿真计算模块，用于对待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型进行电-力-热多物理场仿真计算，通过电场、温度场和应力场方程，考虑待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型的边界条件，得到待测交流海底电缆的电场、温度场和应力场分布。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采取有限元仿真方法构建待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型，能够有效避免实验困难和成本高等缺点。2、本发明将海水对流、环境温度、土壤导热和埋设深度等环境因素加入至耦合模型中，确定交流海底电缆在埋设工况下的电场、温度场和应力场的分布，考虑交流海底电缆绝缘层的介电参数受温度影响这一特点，优化IEC标准海缆损耗的计算方法，且引入热膨胀这一特征，考虑交流海底电缆在过载时产生的应力集中问题，为交流海底电缆故障特性和机理分析提供基础，可以广泛应用于设备特性和故障分析领域中。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明实施例中35kV三芯交流海底电缆的二维结构模型示意图；
图3是本发明实施例中交流海底电缆耦合模型整体网格划分效果示意图；
图4是本发明实施例中工况下交流海底电缆绝缘层电场分布示意图；
图5是本发明实施例中工况下交流海底电缆损耗分布示意图；
图6是本发明实施例中工况下交流海底电缆温度场分布示意图；
图7是本发明实施例中工况下交流海底电缆应力场分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，包括以下步骤：
1、预先构建交流海底电缆的电-力-热耦合模型：
1)根据交流海底电缆的埋设工况，对海上油气平台使用的交流海底电缆例如35kV三芯交流海底电缆进行几何建模，建立交流海底电缆的二维结构模型，包括交流海底电缆本体和海底土壤环，具体为：
35kV三芯交流海底电缆包括线芯、光纤单元、填充层、内衬层、铠装层和外被层，其中，每一线芯均包括从内向外设置的铜导体、绝缘层、屏蔽层、阻水层、第一金属护套和第一PE(聚乙烯)护套，每一光纤单元均包括从内向外设置的光纤、第二金属护套和第二PE护套。
填充层内呈“品”字形设置有三个线芯和三个光纤单元，填充层的外侧从内向外依次设置有内衬层、钢丝铠装和外被层。
2)设置交流海底电缆的二维结构模型中各层结构材料的电、力、热学属性值，并对二维结构模型进行划分，得到有限元网格形式的二维结构模型即交流海底电缆耦合模型，具体为：
2.1)设置交流海底电缆的二维结构模型中各层结构材料的电、力、热学属性值，其中，电学属性值包括电导率、相对介电常数和损耗因子，热学属性值包括密度、比热容和导热系数，力学属性值包括热膨胀系数、弹性模量和泊松比。
因为铜导体和绝缘层的电学属性值均为与温度相关的函数，用于电热耦合，所以，除铜导体和绝缘层的电导率、绝缘层的相对介电常数和损耗因子外，其余属性值均根据材料的本身属性取定值，具体过程在此不多做赘述。
铜导体的电导率σCU(T)、绝缘层的电导率σXLPE(E,T)分别为：
其中，ρ0为T0温度下导体的电阻率，单位为Ω·m；α为温度系数，单位为1/K；A为与材料有关的系数，取值为3.2；
为活化能，取值0.56eV；T为温度，单位为K；q为电子电荷量，取值为1.6×10-19C；kB为玻尔兹曼常数，取值为1.38×10-23J/K；β为电场系数，取值为2.77×10-7；E为电场强度，单位为V/m。
绝缘层的相对介电常数εXLPE(T)和损耗因子tan δXLPE(T)根据绝缘层的介电谱实验数据拟合多项式得到，即：
εXLPE(T)＝-7.3×10-4·(T-272)-3×10-5·(T-272)2+2.72 (3)
tan δXLPE(T)＝3.5×10-6·(T-272)-1.1×10-7·(T-272)2+1.2×10-9·(T-272)3+0.0036 (4)
2.2)对交流海底电缆的二维结构模型进行有限元网格划分，得到交流海底电缆耦合模型，其中，对交流海底电缆的二维结构模型的绝缘层内外两侧边界和光纤单元处均进行细化划分处理(即划分的最大网格尺寸为0.001m)，有利于后处理中数据的提取；对交流海底电缆的二维结构模型的填充层及外部土壤环境处进行粗略划分处理(即划分的最大网格尺寸为0.1m)，以降低模型整体自由度，减少计算时间。
3)根据交流海底电缆运行时导体的电压电流，基于焦耳定律和IEC(International Electro technical Commission，国际电工委员会)60287标准，计算交流海底电缆的导体损耗、介质损耗和金属损耗，具体为：
交流海底电缆的导体损耗W1为：
W1＝I2R (5)
其中，I为电流，单位为A；R为导体交流电阻，单位为Ω。
交流海底电缆的介质损耗W2为：
其中，ω为角频率，单位为rad/s；C为电容，单位为F；U0为电压，单位为V；tan δ为损耗因子。
交流海底电缆的金属损耗W3为：
W3＝λW1 (7)
其中，λ为交流电压在金属护套和铠装层中产生的环流损耗系数，且：
其中，RS为金属护套和铠装层的电阻，单位为Ω；R为导体交流电阻，单位为Ω；X为金属护套和铠装层的电抗，单位为Ω。
4)根据交流海底电缆的导体损耗、介质损耗和金属损耗以及设置的电、力、热学属性值，设置交流海底电缆耦合模型的电-热耦合和热-力耦合，具体为：
设置交流海底电缆耦合模型的电-热耦合：交流海底电缆耦合模型中的电磁场与温度场之间可进行电-热耦合，将交流海底电缆运行时在电磁场中产生的金属损耗、导体损耗和介质损耗作为温度场的热源，导体和绝缘层的电学属性值随温度改变而变化。
设置交流海底电缆耦合模型的热-力耦合：交流海底电缆耦合模型中的温度场与应力场之间可进行热-力耦合，基于交流海底电缆由温度场分布不均匀引起的海底电缆结构热膨胀，根据设置的热和力学属性值，设置交流海底电缆耦合模型的热-力耦合。
5)根据交流海底电缆的规格和环境因素的特征值(即工况下环境温度、海水对流传热系数等)，设置交流海底电缆耦合模型中线芯铜导体的电压电流载荷，并设置交流海底电缆耦合模型的电场、温度场和应力场的边界条件，完成交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建，具体为：
5.1)根据交流海底电缆的规格和环境因素的特征值，设置交流海底电缆耦合模型中的电压电流载荷，例如三相导体电压有效值为
相位相差120°；电流有效值为500A，相位相差120°。
5.2)基于有限元理论，需设置各物理场的边界条件才有利于结果的收敛，因此，根据交流海底电缆的环境因素的特征值，设置交流海底电缆耦合模型的电场、温度场和应力场的边界条件，完成交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建：
①交流海底电缆耦合模型的电场边界条件设置为屏蔽层接地。
②交流海底电缆耦合模型的温度场边界条件设置为：交流海底电缆耦合模型的下边界设置为传热学第一类边界条件，环境温度可以为20℃；交流海底电缆耦合模型的左右侧边界设置为传热学第二类边界条件，法向热流密度可以为0；交流海底电缆耦合模型的上边界设置为传热学第三类边界条件，对流传热系数可以为500W/(m2·℃)，环境温度可以为20℃。
③交流海底电缆耦合模型的应力场边界条件设置为交流海底电缆的中心固定约束。
2、获取待测交流海底电缆的环境因素的特征值和电、力、热学属性值，并将获取的环境因素的特征值和电、力、热学属性值带入至预先构建的交流海底电缆的电-力-热耦合模型中，得到待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型。
3、对待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型进行电-力-热多物理场仿真计算，即将待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型通过电场、温度场和应力场方程，考虑待测交流海底电缆耦合模型的边界条件，得到待测交流海底电缆的电场、温度场和应力场分布，其中，电场、温度场和应力场方程分别为：
电场方程：
其中，σ为电导率，单位为S/m；ω为角频率，单位为rad/s；ε为相对介电常数；V为电势，单位为V。
温度场方程：
其中，ρ为材料密度，单位为kg/m3；c为材料比热容，单位为J/(kg·K)；k为导热系数，单位为W/(m·K)；qV为体积产热率，单位为J/m2；T为工作温度，单位为K；(x,y)为交流海底电缆的位置坐标，单位为m；t为时间，单位为s。
应力场方程：
ε＝α(T-Tref) (11)
σ＝Eε (12)
其中，ε为热膨胀应变；α为热膨胀系数，单位为1/K；T为工作温度，单位为K；Tref为常温，单位为K；E为弹性模量，单位为Pa。
下面通过具体实施例详细说明本发明的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法：
1)如图2所示，针对海上油气平台电力系统互联使用的ZS-YJQF41+OFC1型35kV三芯交流海底电缆，考虑该35kV三芯交流海底电缆的埋设工况，对该35kV三芯交流海底电缆进行几何建模，建立该35kV三芯交流海底电缆的二维结构模型，其中，三个线芯和光纤单元在缆芯呈“品”字形放置，三个线芯导体分别代表A、B、C三相，缆芯内部其余部分由填充层构成，外部由内衬层、钢丝铠装和外被层包裹，其中，钢丝铠装以绞合的方式缠绕在内衬层外。土壤面积为1×1m2，该35kV三芯交流海底电缆放置于土壤的中心位置，该35kV三芯交流海底电缆的埋设深度为0.5m。
2)设置该35kV三芯交流海底电缆的二维结构模型中各层结构材料的电、力、热属性：
该35kV三芯交流海底电缆的导体是由退火软圆铜丝紧压绞合而成，仿真时可简化为一整个圆形导体；绝缘层为交联聚乙烯(XLPE)，具有良好的耐热性能和介电特性；屏蔽层和阻水层均为半导体，起到缓冲与阻水的作用；金属护套为铅金属，具有阻水、耐腐蚀等优点；光纤单元由光纤、钢丝铠装和PE护套组成，用于交流海底电缆在线状态监测与信息传输，监测量为交流海底电缆本体的电场、温度和应力等特征量，其中，PE护套起防水的作用。其中，35kV三芯交流海底电缆的二维结构模型中各层结构材料的属性如下表1所示：
表1：35kV三芯交流海底电缆的二维结构模型中各层结构材料的属性
划分该35kV三芯交流海底电缆的二维结构模型的有限元网格，得到该35kV三芯交流海底电缆的耦合模型，如图3所示。
3)根据该35kV三芯交流海底电缆运行时导体的电压电流，基于焦耳定律和IEC60287标准，计算该35kV三芯交流海底电缆的导体损耗、介质损耗和金属损耗。
4)根据该35kV三芯交流海底电缆的导体损耗、介质损耗和金属损耗以及铜导体和绝缘层的介电参数，设置该35kV三芯交流海底电缆的电-热耦合，并根据设置的热和力学属性值，设置该35kV三芯交流海底电缆的热-力耦合。
5)根据交流海底电缆的规格和环境因素的特征值，设置该35kV三芯交流海底电缆耦合模型中线芯铜导体的电压电流载荷，并设置该35kV三芯交流海底电缆耦合模型的电场、温度场和应力场的边界条件，完成该35kV三芯交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建：
三相导体电压有效值为
相位相差120°；电流有效值为500A，相位相差120°。对于电场，设置该35kV三芯交流海底电缆耦合模型的屏蔽层接地；对于应力场，设置该35kV三芯交流海底电缆的中心点固定约束；对于温度场，设置该35kV三芯交流海底电缆耦合模型的下边界为第一类边界条件，固定温度为环境温度20℃，左右侧边界为传热学第二类边界条件，法向热流密度为0，设置该35kV三芯交流海底电缆耦合模型的上边界为第三类边界条件，对流传热系数为500W/(m2·℃)，海水温度为20℃，完成该35kV三芯交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建。
6)将该35kV三芯交流海底电缆的电-力-热耦合模型通过电场、温度场和应力场方程，考虑该35kV三芯交流海底电缆的电-力-热耦合模型的边界条件，得到该35kV三芯交流海底电缆的电场、温度场和应力场分布：
对该35kV三芯交流海底电缆的电-力-热耦合模型进行行电-力-热多物理场耦合计算，得到该35kV三芯交流海底电缆的电场、损耗、温度场和应力场分布，如图4～图7所示。
从图4可以看出，该35kV三芯交流海底电缆的电场主要集中在绝缘层内侧，由内向外逐渐降低，正常工况下的最大电场为2.74kV/mm，处于允许范围内，绝缘层电场随着导体电压的增加而增大，且当导体电压升至65kV时，绝缘层电场超出正常范围，处于加速电老化阶段，长时间运行会引发局部放电等故障。
从图5可以看出，该35kV三芯交流海底电缆的导体处产生的损耗最大，钢丝铠装和铅护套产生的损耗次之，绝缘介质产生的损耗最小，这些损耗均会作为温度场的热源导致图6中海底电缆温度场的分布。
从图6可以看出，该35kV三芯交流海底电缆的温度最大值出现在线芯导体处，为51.4℃，处于正常范围内，温度分布由导体向外逐渐降低，绝缘层温度处于48℃～51℃之间，且随着电流的增大，绝缘层温度显著上升，当电流大于700A时，导体温度超出90℃，此时该35kV三芯交流海底电缆处于加速热老化阶段，长时间运行导致绝缘层性能下降，导致电场集中等问题。
从图7可以看出，该35kV三芯交流海底电缆的热应力主要集中于金属材料和各层交界处，主要由于金属材料的弹性模量较大及各层之间的温差效应，随着电流的增加，该35kV三芯交流海底电缆整体温度增大，热应力也会越严重，该35kV三芯交流海底电缆整体的机械性能下降，会引发机械老化。
基于上述交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，本发明还提供一种交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真系统，包括：
数据获取模块，用于获取待测交流海底电缆的电热力分布数据和属性值，并将获取的电热力分布数据和属性值带入至预先构建的交流海底电缆的电-力-热耦合模型中，得到待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型；仿真计算模块，用于对待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型进行电-力-热多物理场仿真计算，通过电场、温度场和应力场方程，考虑待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型的边界条件，得到待测交流海底电缆的电场、温度场和应力场分布。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取待测交流海底电缆的环境因素的特征值和电、力、热学属性值，并将获取的环境因素的特征值和电、力、热学属性值带入至预先构建的交流海底电缆的电-力-热耦合模型中，得到待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型；
2)对待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型进行电-力-热多物理场仿真计算，通过电场、温度场和应力场方程，考虑待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型的边界条件，得到待测交流海底电缆的电场、温度场和应力场分布。
2.如权利要求1所述的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，其特征在于，所述步骤1)中交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建过程为：
A)根据交流海底电缆的埋设工况，对交流海底电缆进行几何建模，建立交流海底电缆的二维结构模型，包括交流海底电缆本体和海底土壤环；
B)设置交流海底电缆的二维结构模型中各层结构材料的电、力、热学属性值，并对二维结构模型进行划分，得到交流海底电缆耦合模型；
C)根据交流海底电缆运行时导体的电压电流，计算交流海底电缆的导体损耗、介质损耗和金属损耗；
D)根据交流海底电缆的导体损耗、介质损耗和金属损耗以及设置的电、力、热学属性值，设置交流海底电缆耦合模型的电-热耦合和热-力耦合；
E)根据交流海底电缆的规格和环境因素的特征值，设置交流海底电缆耦合模型中线芯导体的电压电流载荷，并设置交流海底电缆耦合模型的电场、温度场和应力场的边界条件，完成交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建。
3.如权利要求2所述的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，其特征在于，所述交流海底电缆包括线芯、光纤单元、填充层、内衬层、铠装层和外被层，其中，所述线芯包括从内向外设置的铜导体、绝缘层、屏蔽层、阻水层、第一金属护套和第一PE护套，所述光纤单元包括从内向外设置的光纤、第二金属护套和第二PE护套；
所述填充层内设置有线芯和光纤单元，所述填充层的外侧从内向外依次设置有所述内衬层、铠装层和外被层。
4.如权利要求3所述的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，其特征在于，所述步骤B)的具体过程为：
a)设置交流海底电缆的二维结构模型中各层结构材料的电、力、热学属性值，其中，电学属性值包括电导率、相对介电常数和损耗因子，热学属性值包括密度、比热容和导热系数，力学属性值包括热膨胀系数、弹性模量和泊松比；
b)对交流海底电缆的二维结构模型的绝缘层内外两侧边界和光纤单元处均进行细化划分处理，对交流海底电缆的二维结构模型的填充层及外部土壤环境处进行粗略划分处理。
5.如权利要求4所述的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，其特征在于，所述步骤a)中：
铜导体的电导率σCU(T)、绝缘层的电导率σXLPE(E,T)分别为：
其中，ρ0为T0温度下导体的电阻率；α为温度系数；A为与材料有关的系数；
为活化能；T为温度；q为电子电荷量；kB为玻尔兹曼常数；β为电场系数；E为弹性模量。
6.如权利要求3所述的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，其特征在于，所述步骤C)中交流海底电缆的导体损耗W1为：
W1＝I2R
其中，I为电流；R为导体交流电阻；
交流海底电缆的介质损耗W2为：
其中，ω为角频率；C为电容；U0为电压；tanδ为损耗因子；
交流海底电缆的金属损耗W3为：
W3＝λW1
其中，λ为交流电压在金属护套和铠装层中产生的环流损耗系数，且：
其中，RS为金属护套和铠装层的电阻；R为导体交流电阻；X为金属护套和铠装层的电抗。
7.如权利要求3所述的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，其特征在于，所述步骤E)的具体过程为：
I)根据交流海底电缆的规格和环境因素的特征值，设置交流海底电缆耦合模型中的电压电流载荷；
II)根据交流海底电缆的环境因素的特征值，设置交流海底电缆耦合模型的电场、温度场和应力场的边界条件，完成交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建。
8.如权利要求7所述的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，其特征在于，所述步骤II)的具体过程为：
①交流海底电缆耦合模型的电场边界条件设置为屏蔽层接地；
②交流海底电缆耦合模型的温度场边界条件设置为：交流海底电缆耦合模型的下边界设置为传热学第一类边界条件；交流海底电缆耦合模型的左右侧边界设置为传热学第二类边界条件；交流海底电缆耦合模型的上边界设置为传热学第三类边界条件；
③交流海底电缆耦合模型的应力场边界条件设置为交流海底电缆的中心固定约束，完成交流海底电缆的电-力-热耦合模型的构建。
9.如权利要求1所述的交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真方法，其特征在于，所述步骤2)中的电场、温度场和应力场方程分别为：
电场方程：
其中，σ为电导率；ω为角频率；ε为相对介电常数；V为电势；
温度场方程：
其中，ρ为材料密度；c为材料比热容；k为导热系数；qV为体积产热率；T为工作温度；(x,y)为交流海底电缆的位置坐标；t为时间；
应力场方程：
ε＝α(T-Tref)
σ＝Eε
其中，ε为热膨胀应变；α为热c膨胀系数；Tref为常温；E为弹性模量。
10.交流海底电缆多物理场耦合模型的构建及仿真系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取待测交流海底电缆的环境因素的特征值和电、力、热学属性值，并将获取的环境因素的特征值和电、力、热学属性值带入至预先构建的交流海底电缆的电-力-热耦合模型中，得到待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型；
仿真计算模块，用于对待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型进行电-力-热多物理场仿真计算，通过电场、温度场和应力场方程，考虑待测交流海底电缆的电-力-热耦合模型的边界条件，得到待测交流海底电缆的电场、温度场和应力场分布。
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