一種高壓交流電纜絕緣偏心度與電氣性能關係的仿真方法與流程
2024-04-16 10:16:05
1.本發明涉及一種高壓交流電纜絕緣偏心度與電氣性能關係的仿真方法，屬於電氣技術領域。
背景技術：
2.高壓交流電纜通常用於電力系統主幹網的傳輸，對電力系統的安全運行至關重要，一旦電纜發生故障，造成的用電影響和經濟損失不可估量，因此，對高壓交流電纜的設計和製造都有極高的要求。其中絕緣偏心度就是高壓交流電纜的一項重要指標。電纜絕緣偏心度是指電纜導體與絕緣層不同心時，電纜橫截面上的絕緣層產生厚度差，通過計算得到絕緣偏心度。對於高壓交流電纜，絕緣偏心會導致電纜絕緣中電場分布不均勻，易造成電纜擊穿；絕緣偏心度過大，還會造成現場按標準施工敷設時電纜不對稱，磁場分布方式發生變化，金屬護套損耗發生變化；另外，絕緣偏心對於電纜絕緣層的絕緣電阻、電纜電容、金屬護套感應電壓等多種電氣性能參數都會造成影響，且無法量化評估其影響大小，這對於電力系統的設計和運行風險評估都極為不利，大大降低了電力系統的可靠性。
3.目前，對不同絕緣偏心度的高壓交流電纜進行電氣性能評估時，尚且缺乏相關數據可供參考，且缺乏相關的計算方法。傳統解析計算方法只能計算絕緣不偏心時的電氣性能參數，對於不同絕緣偏心度下的高壓交流電纜電氣性能參數計算則無法使用；採用電纜實測法，由於絕緣偏心度在實際電纜生產時無法控制，因此很難做出所需電纜樣品；另外，不同規格、不同電壓等級的高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下的電氣性能參數及變化規律皆不同，無法用一套既有數據表徵出所有高壓交流電纜的電氣性能參數及變化趨勢。
4.因此需要建立一種高壓交流電纜絕緣偏心度與電氣性能關係的仿真方法，量化分析高壓交流電纜在不同偏心度下的電氣性能參數變化，且該方法具有便利性和適用性，為高壓交流電纜的設計運行與風險評估提供一種參數計算的有效手段。
技術實現要素：
5.高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下表現出不同的電氣性能參數，且傳統的解析計算和電纜實測法均無法滿足計算需求。同時，不同規格、不同電壓等級的高壓交流電纜在評估絕緣偏心度對電氣性能參數的影響時，得到的結果也各不相同。因此需要根據實際情況，針對特定的高壓交流電纜在特定的運行場景下進行電氣性能參數的計算。
6.針對諸多技術問題，本發明通過解析計算和建立有限元仿真模型提出了一種高壓交流電纜絕緣偏心度與電氣性能關係的仿真方法。
7.本方法基於解析計算和電-磁耦合方程，建立高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下的comsol有限元仿真模型，進而對高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下的場強、電容、絕緣電阻、導體交流電阻、金屬護套感應電壓、金屬護套總損耗相關電氣性能參數進行計算和分析。
8.本方法量化分析高壓交流電纜在不同偏心度下的電氣性能參數變化，為高壓交流
電纜的設計運行與風險評估提供一種參數計算的有效手段。具體如下：
9.一種高壓交流電纜絕緣偏心度與電氣性能關係的仿真方法，其特徵在於，建立高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下的有限元仿真模型，進而對高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下的電氣性能參數進行計算和分析；
10.步驟包括：
11.1)調查信息：高壓交流電纜本體的結構、尺寸、運行電壓、載流量以及各層的材料；
12.2)根據步驟1)中高壓交流電纜本體調查結果，建立有限元仿真模型；
13.該仿真模型為絕緣偏心度為0％時的基礎仿真模型；
14.3)根據步驟2)中的基礎仿真模型，為基礎仿真模型添加如下元素：
15.a、各層的材料屬性；
16.b、電-磁耦合方程，包括：靜電物理場方程、電流物理場方程以及磁場與電場物理場方程；在各物理場方程中添加高壓交流電纜的運行電壓、電流和頻率；添加網格剖分，
17.最終，計算得到絕緣偏心度為0％時基礎仿真模型的電氣性能參數結果；
18.步驟4)根據步驟1)中高壓交流電纜本體調查結果，對絕緣偏心度為0％時的高壓交流電纜的電氣性能參數進行解析計算；
19.將解析計算結果與步驟3)所得電氣性能參數結果進行對比，通過判斷基礎仿真模型的電氣性能參數計算結果是否準確，而對基礎仿真模型進行驗證：
20.如果準確，則基礎仿真模型驗證合格，進行步驟5)；
21.如果不準確，則基礎仿真模型驗證不合格，則返回步驟2)，重新建立有限元仿真模型；
22.步驟5)調整基礎仿真模型中導體與絕緣的相對位置，得到不同的絕緣偏心度下的有限元仿真模型，分別得到相應絕緣偏心度下的有限元仿真模型；
23.保持其它設置和參數不變的基礎上，有限元仿真模型重新計算高壓交流電纜的電氣性能參數，得到相應的結果；
24.步驟6)從步驟5)的結果，獲得高壓交流電纜的電氣性能參數隨絕緣偏心度不同而變化的規律。
25.進一步的：
26.步驟1)中，調查信息包括：高壓交流電纜的導體外徑、導體屏蔽層厚度、絕緣層厚度、絕緣屏蔽層厚度、半導電緩衝層厚度、鋁護套軋紋深度、壓紋節距和鋁帶厚度；高壓交流電纜的導體材料和絕緣層材料；高壓交流電纜的運行電壓等級與載流量；
27.電氣性能參數包括：場強、電容、絕緣電阻、導體交流電阻、金屬護套感應電壓或金屬護套總損耗。
28.步驟2)中，有限元仿真模型是使用comsol multiphysics軟體建立。
29.利用基礎仿真模型計算結構相同而尺寸不同的其它高壓交流電纜的電氣性能參數，方法為：把相應高壓交流電纜的尺寸參數作為輸入變量給驗證合格的基礎仿真模型，重複步驟5)得到電氣性能參數結果。
30.為了適應實際需要，可基於本仿真方法建立基於comsol有限元仿真軟體的高壓交流電纜絕緣偏心度與電氣性能關係的仿真模型，該模型在經過解析計算結果的準確性驗證後，便可針對不同絕緣偏心度下的高壓交流電纜電氣性能參數進行準確計算，並且當高壓
交流電纜的尺寸發生變化時(結構不變)，僅需更改仿真模型的尺寸參數即可重新計算，其它參數如材料屬性、物理場設置均不需要更改，具有很高的便利性和適用性。
31.採用本方法對高壓交流電纜絕緣偏心度與電氣性能關係的仿真計算，能夠精確、直觀的得到高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下的場強、電容、絕緣電阻、導體交流電阻、金屬護套感應電壓、金屬護套總損耗相關電氣性能參數的具體數值和變化規律，為高壓交流電纜的設計運行與風險評估提供重要的參考依據。
32.由於採取了以上技術方案，本發明具有以下優點：
33.1、本發明採用有限元建模仿真來計算高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下電氣性能參數，有效解決了傳統解析計算法和電纜實測法無法應用和計算困難的問題；
34.2、本發明中所建立的基礎仿真模型，其準確性都在解析計算的基礎上得到了驗證，因此在調整導體位置後，重新計算不同絕緣偏心度下的電氣性能時，具有極高的準確性；
35.3、本發明建立的單個仿真模型可同時適用於具有相同結構的不同尺寸、不同電壓等級、不同載流量等多種高壓交流電纜的計算，僅需改變尺寸參數即可重新計算，具有很高的便利性和適用性。
36.與現有技術相比，本方法實現了對高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下精確、定量地分析電氣性能參數的變化與規律，且該技術方法具有較強的便利性和適用性，可為高壓交流電纜的電氣性能評估和安全運行提供重要的指導作用。
附圖說明
37.為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中需要使用的附圖作簡單介紹，以下附圖僅為一種特定規格的高壓交流電纜在不同偏心度下的仿真實施例，對於本領域普通技術人員，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據以下附圖獲得其它附圖。
38.圖1為本發明實施例的方法流程圖；
39.圖2為本發明實施例中規格型號為yjwl 03-64/110kv 800mm2圓形不分割導體高壓交流電纜結構示意圖；
40.附圖2中：1、圓形銅導體；2、導體屏蔽層；3、xlpe絕緣層；4、絕緣屏蔽和半導電緩衝層；5、皺紋鋁護套；6、外護套；
41.圖3為本例電纜在30％絕緣偏心度下的電場分布圖；
42.圖4為本例電纜在在30％絕緣偏心度下的金屬護套感應電壓分布圖；
43.圖5為本例電纜的不同絕緣偏心度與最大場強、最小場強的影響關係曲線圖；
44.圖6為本例電纜的不同絕緣偏心度與電纜電容的影響關係曲線圖；
45.圖7為本例電纜的不同絕緣偏心度與絕緣電阻的影響關係曲線圖；
46.圖8為本例電纜的不同絕緣偏心度與金屬護套感應電壓的影響關係曲線圖；
47.圖9為本例電纜的不同絕緣偏心度與金屬護套三相損耗的影響關係曲線圖；
48.圖10為本例電纜的不同絕緣偏心度與導體交流電阻的影響關係曲線圖。
具體實施方式
49.以下結合附圖對本發明進行詳細的描述。附圖僅為採用本發明的一項實施例，僅是為了更好地理解本發明，它們不應該被理解成對本發明的限制。
50.以下，結合圖2結構的高壓交流電纜對本方法進行說明。圖2電纜規格型號為yjwl03-64/110kv 800mm2，圓形不分割導體。
51.如圖1所示，本發明提供的一種高壓交流電纜絕緣偏心度與電氣性能關係的仿真方法，其實施包括以下步驟：
52.1)對待研究的特定規格、特定電壓等級的高壓交流電纜本體進行調查，由內到外分別測量導體外徑、導體屏蔽層厚度、絕緣層厚度、絕緣屏蔽層厚度、半導電緩衝層厚度、鋁護套軋紋深度、壓紋節距、鋁帶厚度；由內到外分別調查導體材料、絕緣層材料；並調查高壓交流電纜的運行電壓等級與載流量；
53.本例電纜的各層結構和尺寸如表1所示；
54.表1樣本電纜規格參數
[0055][0056]
備註：以上參數均為實測值
[0057]
2)根據步驟1)中高壓交流電纜本體調查結果，建立基於comsol仿真軟體的有限元仿真模型，該仿真模型應為絕緣偏心度為0％時的基礎仿真模型。由於本仿真實施例涉及到電磁耦合問題，需要考慮磁場對電場的影響，因此除了建立電纜本體的模型外，還應當建立外部空氣域，考慮電纜運行的實際場景，應將外部空氣域設置為無限元域。
[0058]
3)根據步驟2)中的基礎仿真模型，為基礎仿真模型添加各層的材料屬性，本實施例高壓交流電纜由內向外分別為銅、半導電交聯聚乙烯、交聯聚乙烯、半導電交聯聚乙烯與半導電帶的組合、鋁、聚乙烯外護套，以上材料的材料屬性可在機械工業出版社出版的《電線電纜》一書中查到，或使用comsol軟體材料庫中的內置材料均可，兩種途徑選擇的材料屬性基本一致。然後添加電-磁耦合方程，添加靜電物理場、電流物理場、磁場與電場物理場，在各物理場中添加高壓交流電纜的運行電壓/電流/頻率及接地情況，本發明實施例建立的高壓交流電纜為三維仿真模型，按照實際運行場景，需要對高壓交流電纜的金屬護套一端
進行單點接地，金屬護套單點接地方法：選擇金屬護套一端的界面，在物理場中設置電壓為0v，導體電流的添加方法為：導體一端設置電流參數，導體另一端設置電壓為0v即可。然後添加研究和網格剖分，研究的添加方法為：靜電場的研究應添加「穩態研究」，電流、磁場和電場的研究應添加「頻域研究」，並設置頻率為工頻50hz，網格剖分按照仿真軟體的流程提示，網格大小選擇「細化」。最後點擊「研究」中的「計算」，計算得到絕緣偏心度為0％時基礎仿真模型的場強、電容、絕緣電阻、導體交流電阻、金屬護套感應電壓、金屬護套總損耗電氣性能參數結果；
[0059]
4)根據步驟1)中高壓交流電纜本體調查結果，對絕緣偏心度為0％時的高壓交流電纜的場強、電容、絕緣電阻、導體交流電阻、金屬護套感應電壓、金屬護套總損耗相關電氣性能參數進行解析計算，並將解析計算結果與所述步驟3)中的絕緣偏心度為0％時基礎仿真模型的場強、電容、絕緣電阻、導體交流電阻、金屬護套感應電壓、金屬護套總損耗電氣性能參數結果進行對比，驗證所述步驟3)中基礎仿真模型各項設置與計算結果的準確性；
[0060]
5)根據步驟3)和步驟4)中經過驗證後的高壓交流電纜基礎仿真模型，調整基礎仿真模型中導體與絕緣的相對位置，實現高壓交流電纜不同絕緣偏心度下的有限元仿真模型，保持其它設置和參數不變的基礎上，重新計算高壓交流電纜的場強、電容、絕緣電阻、導體交流電阻、金屬護套感應電壓、金屬護套總損耗相關電氣性能參數，並得到新的結果。
[0061]
圖3為實施例高壓交流電纜在30％絕緣偏心度下的電場分布圖，圖4為實施例高壓交流電纜在30％絕緣偏心度下的金屬護套感應電壓分布圖，圖5～圖10為實施例高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下場強、電容、絕緣電阻、金屬護套感應電壓、金屬護套三相損耗、導體交流電阻的計算結果及變化規律曲線。
[0062]
若要計算其它尺寸的高壓交流電纜，僅需修改仿真模型的尺寸參數，重新計算即可。
[0063]
具體來說：所述步驟1)中絕緣偏心度的計算方法為：
[0064][0065]
其中，d
x
為絕緣偏心度；t
max
為絕緣最大厚度(m)；
x
t
am
為絕緣最小厚度(m)；
[0066]
所述步驟3)中電-磁耦合方程包括靜電物理場方程、電流物理場方程、磁場與電場物理場方程，分別表示如下：
[0067]
a)靜電物理場方程
[0068]
▽
·
d＝ρ
[0069][0070]
其中，d為電位移矢量(c/m2)；ρ為電荷密度(c/m3)；e為電場強度(v/m)；v為電勢矢量(v)；a為電流矢量(a)；ω為角頻率(rad/s)；
[0071]
b)電流物理場方程
[0072]
▽
·
j＝q
j,v
[0073]
j＝σe+je[0074]
e＝
‑▽v[0075]
其中，j為電流密度(a/m2)；q
j,v
為電荷量(c)；σ為電導率(s/m)；
[0076]
c)磁場與電場物理場方程
[0077]
▽
·
j＝0
[0078]
▽×
h＝j
[0079]
b＝
▽×a[0080]
e＝
‑▽v[0081]
j＝σe+σv
×
b+je[0082]
其中，h為磁場強度(a/m)；b為磁感應強度(t)；
[0083]
所述步驟4)中對絕緣偏心度為0％時的高壓交流電纜的場強、電容、絕緣電阻、導體交流電阻、金屬護套感應電壓、金屬護套總損耗相關電氣性能參數進行解析計算，其解析計算方法分別為：
[0084]
4.1)場強解析計算方法
[0085][0086][0087]
其中，e
max
為最大電場強度(v/m)；e
min
為最小電場強度(v/m)；u為相電壓有效值(v)；r1、r2分別為絕緣內外層半徑(m)；
[0088]
4.2)電容解析計算方法
[0089][0090]
其中，c為電容(f/m)；ε0為真空介電常數，ε0＝8.86
×
10-14
f/cm，ε1為絕緣材料的相對介電常數；
[0091]
4.3)絕緣電阻解析計算方法
[0092][0093]
其中，r為絕緣電阻(ω/m)；ρ為絕緣的體積電阻率(ω
·
m)；s為電纜導體截面積(m)；
[0094]
4.4)導體交流電阻解析計算方法
[0095]
r＝r
′
[1+1.7(ys+y
p
)]
[0096]
其中，r為導體交流電阻(ω)；r
′
為導體直流電阻(ω)；ys為基夫效應係數；y
p
為鄰近效應係數；
[0097]
4.5)金屬護套感應電壓解析計算方法
[0098][0099]
其中，ua、ub、uc分別為a、b、c三相的感應電壓(v)；i為相電流有效值(a)；s為導體軸心之間距離(m)；ds為電纜直徑(m)；
[0100]
4.6)金屬護套總損耗解析計算
[0101]
w＝wλ
″
[0102]s[0103][0104]
其中，w為金屬護套損耗(w)；λ
″
為金屬護套損耗係數；rs為電纜的單位護套電阻(ω/m)；ds為金屬護套平均直徑(m)；a1、a2為帶入係數，三角形敷設的電纜係數分別為3和0.417，平面敷設的兩側電纜係數分別為1.5和0.27，平面敷設的中間電纜係數分別為6和0.083。
[0105]
通過本發明提供的一種高壓交流電纜絕緣偏心度與電氣性能關係的仿真方法，結合實施例的計算，能過夠精確、直觀的得到高壓交流電纜在不同絕緣偏心度下的場強、電容、絕緣電阻、導體交流電阻、金屬護套感應電壓、金屬護套總損耗相關電氣性能參數的具體數值和變化規律，為高壓交流電纜的設計運行與風險評估提供重要的參考依據。