一种高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真方法，基于解析计算和电

【技术实现步骤摘要】
一种高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真方法


[0001]本专利技术涉及一种高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真方法，属于电气


技术介绍

[0002]高压交流电缆通常用于电力系统主干网的传输，对电力系统的安全运行至关重要，一旦电缆发生故障，造成的用电影响和经济损失不可估量，因此，对高压交流电缆的设计和制造都有极高的要求。其中绝缘偏心度就是高压交流电缆的一项重要指标。电缆绝缘偏心度是指电缆导体与绝缘层不同心时，电缆横截面上的绝缘层产生厚度差，通过计算得到绝缘偏心度。对于高压交流电缆，绝缘偏心会导致电缆绝缘中电场分布不均匀，易造成电缆击穿；绝缘偏心度过大，还会造成现场按标准施工敷设时电缆不对称，磁场分布方式发生变化，金属护套损耗发生变化；另外，绝缘偏心对于电缆绝缘层的绝缘电阻、电缆电容、金属护套感应电压等多种电气性能参数都会造成影响，且无法量化评估其影响大小，这对于电力系统的设计和运行风险评估都极为不利，大大降低了电力系统的可靠性。
[0003]目前，对不同绝缘偏心度的高压交流电缆进行电气性能评估时，尚且缺乏相关数据可供参考，且缺乏相关的计算方法。传统解析计算方法只能计算绝缘不偏心时的电气性能参数，对于不同绝缘偏心度下的高压交流电缆电气性能参数计算则无法使用；采用电缆实测法，由于绝缘偏心度在实际电缆生产时无法控制，因此很难做出所需电缆样品；另外，不同规格、不同电压等级的高压交流电缆在不同绝缘偏心度下的电气性能参数及变化规律皆不同，无法用一套既有数据表征出所有高压交流电缆的电气性能参数及变化趋势。
[0004]因此需要建立一种高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真方法，量化分析高压交流电缆在不同偏心度下的电气性能参数变化，且该方法具有便利性和适用性，为高压交流电缆的设计运行与风险评估提供一种参数计算的有效手段。

技术实现思路

[0005]高压交流电缆在不同绝缘偏心度下表现出不同的电气性能参数，且传统的解析计算和电缆实测法均无法满足计算需求。同时，不同规格、不同电压等级的高压交流电缆在评估绝缘偏心度对电气性能参数的影响时，得到的结果也各不相同。因此需要根据实际情况，针对特定的高压交流电缆在特定的运行场景下进行电气性能参数的计算。
[0006]针对诸多技术问题，本专利技术通过解析计算和建立有限元仿真模型提出了一种高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真方法。
[0007]本方法基于解析计算和电
‑
磁耦合方程，建立高压交流电缆在不同绝缘偏心度下的COMSOL有限元仿真模型，进而对高压交流电缆在不同绝缘偏心度下的场强、电容、绝缘电阻、导体交流电阻、金属护套感应电压、金属护套总损耗相关电气性能参数进行计算和分析。
[0008]本方法量化分析高压交流电缆在不同偏心度下的电气性能参数变化，为高压交流
电缆的设计运行与风险评估提供一种参数计算的有效手段。具体如下：
[0009]一种高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真方法，其特征在于，建立高压交流电缆在不同绝缘偏心度下的有限元仿真模型，进而对高压交流电缆在不同绝缘偏心度下的电气性能参数进行计算和分析；
[0010]步骤包括：
[0011]1)调查信息：高压交流电缆本体的结构、尺寸、运行电压、载流量以及各层的材料；
[0012]2)根据步骤1)中高压交流电缆本体调查结果，建立有限元仿真模型；
[0013]该仿真模型为绝缘偏心度为0％时的基础仿真模型；
[0014]3)根据步骤2)中的基础仿真模型，为基础仿真模型添加如下元素：
[0015]a、各层的材料属性；
[0016]b、电
‑
磁耦合方程，包括：静电物理场方程、电流物理场方程以及磁场与电场物理场方程；在各物理场方程中添加高压交流电缆的运行电压、电流和频率；添加网格剖分，
[0017]最终，计算得到绝缘偏心度为0％时基础仿真模型的电气性能参数结果；
[0018]步骤4)根据步骤1)中高压交流电缆本体调查结果，对绝缘偏心度为0％时的高压交流电缆的电气性能参数进行解析计算；
[0019]将解析计算结果与步骤3)所得电气性能参数结果进行对比，通过判断基础仿真模型的电气性能参数计算结果是否准确，而对基础仿真模型进行验证：
[0020]如果准确，则基础仿真模型验证合格，进行步骤5)；
[0021]如果不准确，则基础仿真模型验证不合格，则返回步骤2)，重新建立有限元仿真模型；
[0022]步骤5)调整基础仿真模型中导体与绝缘的相对位置，得到不同的绝缘偏心度下的有限元仿真模型，分别得到相应绝缘偏心度下的有限元仿真模型；
[0023]保持其它设置和参数不变的基础上，有限元仿真模型重新计算高压交流电缆的电气性能参数，得到相应的结果；
[0024]步骤6)从步骤5)的结果，获得高压交流电缆的电气性能参数随绝缘偏心度不同而变化的规律。
[0025]进一步的：
[0026]步骤1)中，调查信息包括：高压交流电缆的导体外径、导体屏蔽层厚度、绝缘层厚度、绝缘屏蔽层厚度、半导电缓冲层厚度、铝护套轧纹深度、压纹节距和铝带厚度；高压交流电缆的导体材料和绝缘层材料；高压交流电缆的运行电压等级与载流量；
[0027]电气性能参数包括：场强、电容、绝缘电阻、导体交流电阻、金属护套感应电压或金属护套总损耗。
[0028]步骤2)中，有限元仿真模型是使用COMSOL Multiphysics软件建立。
[0029]利用基础仿真模型计算结构相同而尺寸不同的其它高压交流电缆的电气性能参数，方法为：把相应高压交流电缆的尺寸参数作为输入变量给验证合格的基础仿真模型，重复步骤5)得到电气性能参数结果。
[0030]为了适应实际需要，可基于本仿真方法建立基于COMSOL有限元仿真软件的高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真模型，该模型在经过解析计算结果的准确性验证后，便可针对不同绝缘偏心度下的高压交流电缆电气性能参数进行准确计算，并且当高压
交流电缆的尺寸发生变化时(结构不变)，仅需更改仿真模型的尺寸参数即可重新计算，其它参数如材料属性、物理场设置均不需要更改，具有很高的便利性和适用性。
[0031]采用本方法对高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真计算，能够精确、直观的得到高压交流电缆在不同绝缘偏心度下的场强、电容、绝缘电阻、导体交流电阻、金属护套感应电压、金属护套总损耗相关电气性能参数的具体数值和变化规律，为高压交流电缆的设计运行与风险评估提供重要的参考依据。
[0032]由于采取了以上技术方案，本专利技术具有以下优点：
[0033]1、本专利技术采用有限元建模仿真来计算高压交流电缆在不同绝缘偏心度下电气性能参数，有效解决了传统解析计算法和电缆实测法无法应用和计算困难的问题；
[0034]2、本专利技术中所建立的基础仿真模型，其准确性都在解析计算的基础上得到了验证，因此在调整导体位置后，重新本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压交流电缆绝缘偏心度与电气性能关系的仿真方法，其特征在于，建立高压交流电缆在不同绝缘偏心度下的有限元仿真模型，进而对高压交流电缆在不同绝缘偏心度下的电气性能参数进行计算和分析；步骤包括：1)调查信息：高压交流电缆本体的结构、尺寸、运行电压、载流量以及各层的材料；2)根据步骤1)中高压交流电缆本体调查结果，建立有限元仿真模型；该仿真模型为绝缘偏心度为0％时的基础仿真模型；3)根据步骤2)中的基础仿真模型，为基础仿真模型添加如下元素：a、各层的材料属性；b、电
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磁耦合方程，包括：静电物理场方程、电流物理场方程以及磁场与电场物理场方程；在各物理场方程中添加高压交流电缆的运行电压、电流和频率；添加网格剖分，最终，计算得到绝缘偏心度为0％时基础仿真模型的电气性能参数结果；步骤4)根据步骤1)中高压交流电缆本体调查结果，对绝缘偏心度为0％时的高压交流电缆的电气性能参数进行解析计算；将解析计算结果与步骤3)所得电气性能参数结果进行对比，通过判断基础仿真模型的电气性能参数计算结果是否准确，而对基础仿真模型进行验证：如果准确，则基础仿真模型验证合格，进行步骤5)；如果不准确，则基础仿真模型验证不合格，则返回步骤2)，重新建立有限元仿真模型；步骤5)调整基础仿真模型中导体与绝缘的相对位置，得到不同的绝缘偏心度下的有限元仿真模型，分别得到相应绝缘偏心度下的有限元仿真模型；保持其它设置和参数不变的基础上，有限元仿真模型重新计算高压交流电缆的电气性能参数，得到相应的结果；步骤6)从步骤5)的结果，获得高压交流电缆的电气性能参数随绝缘偏心度不同而变化的规律。2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征是步骤1)中，调查信息包括：高压交流电缆的导体外径、导体屏蔽层厚度、绝缘层厚度、绝缘屏蔽层厚度、半导电缓冲层厚度、铝护套轧纹深度、压纹节距和铝带厚度；高压交流电缆的导体材料和绝缘层材料；高压交流电缆的运行电压等级与载流量；电气性能参数包括：场强、电容、绝缘电阻、导体交流电阻、金属护套感应电压或金属护套总损耗。3.根据权利要求1或2所述的仿真方法，其特征是步骤2)中，有限元仿真模型是使用COMSOL Multiphysics软件建立。4.根据权利要求1或2所述的仿真方法，其特征是利用基础仿真模型计算结构相同而尺寸不同的其它高压交流电缆的电气性能参数，方法为：把相应高压交流电缆的尺寸参数作为输入变量给验证合格的基础仿真模型，重复步骤5)得到电气性能参数结果。5.根据权利要求1或2所述的仿真方法，其特征是绝缘偏心度的计算方法为：其中，D
x
为绝缘偏心度；t
max
为绝缘最大厚度；t
max
为绝缘最小厚度。6.根据权利要求1或2所述的仿真方法，其特征是步骤3)中：
静电物理场方程静电物理场方程其中，D为电位移矢量，单位是C/m2；ρ为电荷密度，单位是C/m3；E为电场强度，单位是V/m；V为...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩啸，刘雄军，狄洪杰，陈旭浩，时佰万，胡旭明，董琦，李廷亮，
申请(专利权)人：江苏上上电缆集团新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：