CN111382531A

CN111382531A - 一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法

Info

Publication number: CN111382531A
Application number: CN202010072838.7A
Authority: CN
Inventors: 张镱议; 刘捷丰; 陈潇铭
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-07-07

Abstract

本发明涉及一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，通过建立基于电磁场、传热场和流体场的海底电缆多物理耦合仿真模型，提出一种计算海底电缆温度和载流量的计算方法，该方法基于电‑热‑流多物理场耦合方程，结合海底电缆实际敷设条件，对海底电缆的温度场和载流量进行监测，可以更方便对海底电缆的运行情况进行监测分析，基于COMSOL仿真的APP可以最大限度用户的需要，运行人员可以根据海底电缆的不同情况设置不同的参数得到海底电缆的温度场和载流量，本技术方法和系统克服海底电缆实体实验成本高、实施困难、数据难以测量等缺点，高效实现海底电缆温度和载流量的仿真计算，对保证电网完全可靠运行和海底电缆的稳定运行有重要意义。

Description

一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法

技术领域

本发明涉及电气设备仿真测量技术领域，更具体地，涉及一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法。

背景技术

电力电缆是电力系统的重要组成部分，承担着输电的责任。电缆根据其使用环境分为陆地电缆和海底电缆。陆地电缆广泛应用于输配电系统，特别是具有城市景观要求的城市电网。海底电力电缆通常用于为近海岛屿、海上石油钻井平台和海上灯塔供电。海上风电场位于海上，需要大容量的长距离输电线路，才能将电力输送到电力负荷集中的稠密地区。架空输电线路显然不适用，但海底电力电缆是穿越海洋的最佳选择。

海底电缆是一种结构复杂、制造技术要求高、机电性能要求最高的电力电缆。它有一个特殊的使用环境。它深入海底，比陆地电缆差得多。从具有丰富操作经验的陆地电缆的角度来看，最直观的现象是电缆发生故障时因热损伤而燃烧和爆炸。这是由于电缆芯导体长时间产生热量，导致交联聚乙烯绝缘材料在长期影响温度老化，有时会产生不可逆转的损坏并导致故障。因此，为了保证海底电缆的安全可靠运行，有必要对海底电缆的载荷和温度进行分析和计算。

目前现有电缆温度和载流量方法的研究对象主要集中在交流陆地电缆的温度场分析和载流量计算，计算方法大多基于IEC-60287标准热路分析或者温度场数值计算；针对交流海底电缆不同敷设环境因素下的研究较少，并且海底电缆敷设环境恶劣，线路跨度大，路由区域海洋水文、地质以及气候温度差异可能较大，其运行环境和敷设条件参数多变，并不适用于对敷设环境进行单一、均匀假设的IEC-60287标准。因此，需要建立一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，从而减少实际电缆实验时的工作量，为海底电缆的稳定运行提供参考。

发明内容

本发明针对背景技术的技术问题，提出一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，结合实际海底电缆运行情况，对海底电缆的温度场和载流量进行监测并制作成为仿真 APP，可以更方便对海底电缆的运行情况进行监测分析，使测量方法更为方便，为海底电缆的运行维护、检修提供重要的参考依据。

为达到上述目的，提出一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，包括以下步骤：

一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对高压海底电缆本体进行调查，记录高压海底电缆本体的铜导体、绝缘层、屏蔽层、护套层、铠装层的内部参数，构建高压海底电缆本体的几何模型；

(2)根据步骤(1)中的高压海底电缆本体的几何模型，调查高压海底电缆本体运行的环境影响因素，得到一般情况下高压海底电缆本体的环境因素参数，所述环境因素参数包括海水温度、土壤温度、海水流速、和土壤导热系数，并构建高压海底电缆本体及其环境的几何模型；

(3)根据步骤(2)中的高压海底电缆本体及其环境的几何模型，对该几何模型施加多个物理场后，建立基于有限元仿真的电-热-流多物理场耦合的海底电缆数值计算模型，并获得高压海底电缆的温度场及其分布，通过海底电缆温度场计算得到导体温度值；

(4)基于步骤(3)所得到的导体温度值，使用牛顿-拉夫逊迭代法对海缆的载流量进行仿真计算；

(5)经过步骤(3)和步骤(4)的海底电缆数值计算模型和载流量的仿真计算，得到海底电缆温度场分布和载流量。

特别的，所述步骤(1)和步骤(2)中的高压海底电缆的几何模型包括海底电缆本体几何模型及海底电缆本体的敷设环境，所述海底电缆本体几何模型包括铜导体半径参数、内外绝缘层半径参数、内外护套层半径参数、内外屏蔽层半径参数以及钢铠装层；所述海底电缆本体的敷设环境包括海底土壤深度和海水深度。

特别的，所述步骤(3)中的所述多物理场包括对海底电缆本体施加电磁物理场、对海水区域施加流体传热物理场、对海水区域施加流体传热物理场；

所述对海底电缆本体施加电磁物理场，其物理场方程为：

式中，E为电场强度，v/m；B为磁感应强度，T；D为电位移矢量，C/m²；H为磁场强度， A/m；J为电流密度，A/m²；ρ为电荷密度，C/m³；ε为介电常数，F/m；μ为磁导率，H/m； σ为电导率，S/m；

所述对海水区域施加层流物理场，其物理场方程为：

式中，ρ为流体的密度，单位为kg/m³；u为流体的速度矢量，单位为m/s；I为单位矩阵； μ为动力粘度，单位为Pa·s；T为流体材料的温度，单位为K；F为体积力，F一般默认为0；

所述对海水区域施加流体传热物理场，对除了海水区域以外的模型施加固体传热物理场，其物理场方程为：

式中，ρ为材料密度，单位为kg/m³；c为材料比热容，单位为J/(kgK)；T为待求温度变量，单位为K；λ_x、λ_y和λ_z分别为材料沿x、y和z方向的导热率，单位为W/(m·K),在本模型中假设海底电缆各组成材料为各向同性的媒质；Q_v为固体材料中的热源，单位为W/m；所述多物理场方程为：

其中，Q_e为材料中的热源，单位为J/(kg·K)。

特别的，所述步骤(3)中的载流量计算的方法为：基于仿真计算得到的温度场分布，使用COMSOL with MATLAB仿真求解海底电缆的载流量，求解载流量以海底电缆导体温度达到交联聚乙烯最大工作温度90℃为标准，使用牛顿-拉夫逊法进行迭代，

其中，I_k为迭代电流，单位为A；Δθ为与交联聚乙烯电缆最大工作温度90℃的差值。

不同电压等级的海底电缆有着不同的运行参数，不同的环境因素也会影响海底电缆的运行，为了适应于实际需要，可依据上述仿真方法建立基于COMSOL仿真的海底交流电缆温度场和载流量计算的仿真APP。仿真APP是基于权利要求5海底高压电缆的温度场和载流量仿真模型，不同的实际海底电缆有不同的运行参数和环境参数，适应实际需求，仿真APP既可以在COMSOL软件上运行，也可以在浏览器上运行，最大限度满足实际海底电缆参数变化的需求。运行人员可以根据不同的海底电缆的本体大小、电压等级和环境因素改变其输入值，输入其中运行和环境具体参数，得到海底电缆温度场分布情况和电缆载流量，为海底电缆的状态检修和稳定运行提供重要的参考依据。

本发明基于电-热-流多物理场对海底高压电缆进行耦合仿真，结合实际海底电缆运行情况，对海底电缆的温度场和载流量进行监测，可以更方便对海底电缆的运行情况进行监测分析，基于COMSOL仿真的APP可以最大限度用户的需要，运行人员可以根据海底电缆的不同情况设置不同的参数得到海底电缆的温度场和载流量，可为海底电缆的运行维护、检修提供重要的参考依据进而使电力系统运行更加可靠、安全、稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例的海底电缆温度场分布情况。

图2为本发明实施例的海底电缆磁感应强度分布情况。

图3为本发明实施例的海底电缆仿真APP示例1。

图4为本发明实施例的海底电缆仿真APP示例2。

图5为本发明实施例的海底电缆仿真APP示例3。

图6为本发明实施例的海底电缆仿真APP示例4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实施例基于一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，包括以下步骤：

(1)对交联聚乙烯交流高压海底电缆本体进行调查，首先初步以220kV交联聚乙烯高压交流海底电缆为对象，并记录220kV交联聚乙烯高压交流海底电缆的铜导体、绝缘层、屏蔽层、护套层、铠装层的内部参数，构建220kV海底电缆本体的几何模型，基于COMSOL的海底电缆本体几何模型如图4所示。

(2)根据步骤(1)中的220kV海底电缆本体的几何模型，调查该海底高压电缆运行相关环境影响因素，得到一般情况下220kV海底电缆的环境因素参数，环境因素参数包括海水温度、土壤温度、海水流速、和土壤导热系数，构建220kV海底电缆及其环境的几何模型，基于COMSOL的海底电缆本体几何模型如图5所示。

(3)对几何模型施加多物理场，建立基于有限元仿真的电-热-流多物理场耦合的海底电缆数值计算模型，包括以下多物理场：

1)对海底电缆本体施加电磁物理场，其物理场方程为：

其中，E为电场强度，单位为v/m；B为磁感应强度，单位为T；D为电位移矢量，单位为 C/m²；H为磁场强度，单位为A/m；J为电流密度，单位为A/m²；ρ为电荷密度，单位为 C/m³；ε为介电常数，单位为F/m；μ为磁导率，单位为H/m；σ为电导率，单位为S/m。

2)对海水区域施加层流物理场，其物理场方程为：

其中，ρ为流体的密度，kg/m³；u为流体的速度矢量，m/s；I为单位矩阵；

3)对海水区域施加流体传热物理场，对除了海水区域以外的模型施加固体传热物理场，其物理场方程为：

其中，ρ为材料密度，单位为kg/m³；c为材料比热容，单位为J/(kgK)；T为待求温度变量，单位为K；λ_x、λ_y和λ_z分别为材料沿x、y和z方向的导热率，单位为W/(m·K),在本模型中假设海底电缆各组成材料为各向同性的媒质；Q_v为固体材料中的热源，单位为 W/m。

4)在整个电缆模型的热源为施加在电缆铜导体负荷电流所产生的焦耳热，因此电磁场与固体传热场耦合的多物理场方程为：

其中，Q_e为材料中的热源。

基于以上4个步骤的电-热-流多物理场耦合的海底电缆数值计算，获得高压海底电缆的温度场分布，具体海底电缆温度分布如图1。

(4)使用牛顿-拉夫逊迭代法对海缆的载流量进行仿真计算，基于仿真计算得到的温度场分布，使用COMSOL with MATLAB仿真求解海底电缆的载流量，求解载流量以海底电缆导体温度达到交联聚乙烯最大工作温度90℃为标准，使用牛顿-拉夫逊法进行迭代。

(5)经过仿真计算，基于电-热-流多物理场耦合的海底电缆数值计算和牛顿拉夫逊迭代法，最终得到海底电缆温度场分布和载流量，海底电缆温度分布情况如图1。

不同电压等级的海底电缆有着不同的运行参数，不同的环境因素也会影响海底电缆的运行，为了适应于实际需要，建立基于COMSOL仿真的海底交流电缆温度场和载流量计算APP。仿真APP既可以在COMSOL软件上运行，也可以在浏览器上运行，最大限度满足实际海底电缆参数变化的需求。仿真具体功能展示如图2-5所示，运行人员可以根据不同的海底电缆的本体大小、电压等级和环境因素改变其输入值，输入其中运行和环境具体参数，得到海底电缆温度场分布情况和电缆载流量，为海底电缆的状态检修和稳定运行提供重要的参考依据。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，其特征在于：所述步骤(1)和步骤(2)中的高压海底电缆的几何模型包括海底电缆本体几何模型及海底电缆本体的敷设环境，所述海底电缆本体几何模型包括铜导体半径参数、内外绝缘层半径参数、内外护套层半径参数、内外屏蔽层半径参数以及钢铠装层；所述海底电缆本体的敷设环境包括海底土壤深度和海水深度。

3.根据权利要求1所述的一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中的所述多物理场包括对海底电缆本体施加电磁物理场、对海水区域施加流体传热物理场、对海水区域施加流体传热物理场；

所述对海底电缆本体施加电磁物理场，其物理场方程为：

式中，E为电场强度；B为磁感应强度；D为电位移矢量；H为磁场强度；J为电流密度；ρ为电荷密度；ε为介电常数；μ为磁导率；σ为电导率；

所述对海水区域施加层流物理场，其物理场方程为：

式中，ρ为流体的密度；u为流体的速度矢量；I为单位矩阵；μ为动力粘度；T为流体材料的温度；F为体积力；

式中，ρ为材料密度，kg/m³；c为材料比热容；T为待求温度变量；λ_x、λ_y和λ_z分别为材料沿x、y和z方向的导热率,在本模型中假设海底电缆各组成材料为各向同性的媒质；Q_v为固体材料中的热源；

所述多物理场方程为：

其中，Q_e为材料中的热源。

4.根据权利要求1所述的一种高压交流海底电缆载流量和温度仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中的载流量计算的方法为：基于仿真计算得到的温度场分布，使用COMSOLwith MATLAB仿真求解海底电缆的载流量，求解载流量以海底电缆导体温度达到交联聚乙烯最大工作温度90℃为标准，使用牛顿-拉夫逊法进行迭代，

其中，I_k为迭代电流；Δθ为与交联聚乙烯电缆最大工作温度90℃的差值。