一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法技术

本发明专利技术公开了一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法。该方法包括步骤：首先，对海底电缆和光缆进行几何建模；其次，设置几何模型的材料与材料参数，并指定材料相对介电常数的实部和虚部。然后，设置电流场、固体传热场的约束条件，设置环境温度；再次，对仿真模型进行网格剖分并进行计算，获得外置光缆中光单元的温度；最后，将仿真的光单元温度与分布式光纤传感仪器测量的光单元温度进行对比，两者误差在1％以内时仿真对应的导体温度即所求海底电缆导体温度。本发明专利技术基于有限元方法的多物理场耦合仿真，所得到的外置光缆中光单元温度与导体温度更加准确，对利用分布式光纤传感仪器监测500kV充油海底电缆导体温度的研究具有重要指导意义。

A finite element modeling and conductor temperature simulation analysis method for 500kV oil filled submarine cable

【技术实现步骤摘要】
一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法
本专利技术属于高压充油海底电缆状态监测
，具体涉及一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法。
技术介绍
500kV充油海底电缆正常运行时，确定其导体温度对于监测海底电缆的运行状况意义重大。如果海底电缆导体工作温度超过最高允许温度，将导致绝缘材料老化加速，海缆寿命缩短，严重时甚至会出现重大故障。目前，500kV充油海底电缆导体温度的监测方式主要是将光缆与海底电缆捆绑在一起，利用分布式光纤传感仪器和海底电缆热路模型来推导海底电缆导体的温度。由于传统的热路模型在计算的过程中进行了一维等效，将光缆保护结构对热传导的影响等效为环境的影响，使得测量的外置光缆中光单元温度作为环境温度进行计算，导致计算结果存在一定的误差。考虑到海底电缆结构复杂，敷设环境多变，需要更精确的温度计算方法。有限元仿真可以针对电缆结构及其所处环境精确建模，模拟在不同环境温度下外置光缆中光单元温度与导体温度的变化关系，结合分布式光纤传感技术测得的外置光缆中光单元温度，精确逼近环境温度，得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)根据500kV充油海底电缆捆绑特殊海底光缆的结构，在有限元软件中建立三维几何模型；/n2)基于步骤1)建立的三维几何模型，根据电缆和光缆的各结构材料和材料物理参数为各结构设置材料和材料参数，并指定材料相对介电常数的实部和虚部，建立三维有限元模型；/n3)基于步骤2)的三维有限元模型，对三维有限元模型电流物理场的约束条件进行设置，在电流物理场中，给电缆导体添加电流激励，设置铅合金护套接地，给导体添加电压激励；/n4)根据空气裸露段、登陆段、潮间带和深水区四种不同环境设置固体传热物理场中的边界传热条件...

【技术特征摘要】
1.一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据500kV充油海底电缆捆绑特殊海底光缆的结构，在有限元软件中建立三维几何模型；
2)基于步骤1)建立的三维几何模型，根据电缆和光缆的各结构材料和材料物理参数为各结构设置材料和材料参数，并指定材料相对介电常数的实部和虚部，建立三维有限元模型；
3)基于步骤2)的三维有限元模型，对三维有限元模型电流物理场的约束条件进行设置，在电流物理场中，给电缆导体添加电流激励，设置铅合金护套接地，给导体添加电压激励；
4)根据空气裸露段、登陆段、潮间带和深水区四种不同环境设置固体传热物理场中的边界传热条件；
5)利用分布式光纤传感技术测试外置光缆中光单元温度T0，设置环境温度范围T0-20℃～T0，建立添加环境温度的三维有限元仿真模型；
6)基于步骤5)的仿真模型，对海底电缆和光缆截面进行自由三角形网格剖分后扫掠，建立网格剖分的三维有限元仿真模型；
7)基于6)的仿真模型，进行多物理场耦合计算，得到在特定环境温度下的外置光缆中光单元温度与导体温度；
8)基于步骤7)计算得到的外置光缆中光单元温度，将仿真计算的外置光缆中光单元温度与分布式光纤传感仪器测得的外置光缆中光单元温度进行误差计算；
9)基于步骤8)的对比结果，若误差小于1％，则步骤7)所得导体温度即为所求；
基于步骤8)的对比结果，若误差大于1％，则在步骤5)所述温度范围内以二分法设置新的环境温度仿真参数，重新进行多物理场耦合计算，重复步骤7)～10)，直至误差小于1％，最终获得准确的导体温度。


2.根据权利要求1所述的一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法，其特征在于，步骤1)中，建立海底电缆的三维几何模型，包括由内至外依次设置的油道、导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、第一铜编织带、铅合金护套、第二铜编织带、加强层、第一衬层、防腐层、防蛀层、第二衬层、铠装和外护层，和外置光缆中由内至外依次设置的光单元、光缆内护层、镀锌钢丝铠装和光缆外护层，模型长度为1000mm。


3.根据权利要求1所述的一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法，其特征在于，步骤2)中，海底电缆的材料包括绝缘油、铜、炭黑纸、浸渍纸带、铅合金、青铜带、聚乙烯、聚丙烯纱和沥青；光缆的组成材料包括二氧化硅、聚乙烯，镀锌钢丝、沥青和聚丙烯；海底电缆的材料参数包括电导率、导热系数、热膨胀系数、恒压热容、相对介电常数、密度、杨氏模量、泊松比，以及光缆中各层结构的半径、折射率、光波长、传播系数和一阶贝塞尔函数值物理参数值，并指定材料相对介电常数的实部和虚部。


4.根据权利要求1所述的一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法，其特征在于，步骤3)中，进行电流、固体传热等物理场的约束条件设施时，设置传导电流和位移电流流经导体，由导体产生的焦耳热会在海底电缆中传导，导致海底电缆不同结构的温度不同，焦耳热通过导体的热量与传导电流和位移电流之间的关系得到，由电阻定律和欧姆定律可知：



其中J是电流密度，σ是电导率，E是电场强度，ω是角频率，D是电感应强度，∈0是真空介电常数，ε′是相对介电常数实部，ε″是相对介电常数...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴聪，陈玉，郝义，黄小卫，王双，姚凯，李涵之，毛明锋，杨燕，黄国瑞，岳东立，石青芸，贾峰，刘聪，陈诚，张维佳，蔡驰，陈奕钪，郭强，岑贞锦，陈航伟，陈政，李晓骏，莫林涛，吴青帅，
申请(专利权)人：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，西安交通大学，
类型：发明
国别省市：广东;44