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
专利汇可以提供一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 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。，下面是一种500kV充油海底电缆有限元建模及导体温度仿真分析方法专利的具体信息内容。
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″是相对介电常数虚部；
为了将电热耦合，先找出焦耳热Q与电流之间的关系，焦耳热由(2)式给出：
Q＝J·E (2)
其中，Q是焦耳热，J是电流密度，E为电场强度；
焦耳热是由于电流引起的功率损耗，表示电能转化为热能的能量损失，焦耳热是由热源，即有电流持续通过的导体传递的功率损耗；
根据定义，传热过程中海底电缆各部分热量和电流传递过程中的功率损耗守恒定义如(3)所示：
其中ρ是密度，Cp是比热容，T是绝对温度，q是导热通量；在连续介质中，傅里叶热传导定律表明传导热通量与温度梯度成正比，故得(4)式：
q＝-k▽T (4)
其中比例系数k是热导率，取正值，表示热量从高温区向低温区流动；热量的流动使得电流产生的热量影响了海底电缆各结构的温度，包括使得外置光缆中光单元中光纤的温度发生了变化。
5.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4)中，在传热学中，常见边界条件为3类：
规定了边界的温度值，即边界温度保持不变，称为第1类边界条件，其数学描述公式为：
规定边界的热流密度值，即保持边界热流密度保持不变，称为第2类边界条件，其描述公式为：
T|τ＝f(x,y,t) (6)
规定了边界物体与周围流体间的表面传热系数及周围流体的温度，称为第3类边界条件,其描述公式为：
式中， 表示已知温度的求解域对应的温度函数；τ表示单元边界，f(x,y,t)是已知温度的边界求解域对应的温度函数；g(x,y,t)＝h(T-Tf)是边界上的热流密度向量函数；
从现有研究成果可查，认为电缆发热对距离其2m以外的土壤影响就已十分微弱，在有限元建模过程中，设定下方距离电缆2m处为求解域的下边界，左右距离电缆2m处为求解域左右边界，求解域上边界依据四种外界环境情况而定；
空气裸露段中电缆直接与空气接触，设置二者之间的传热方式是对流传热；
登陆段中电缆直接与土壤接触，土壤上方1m为空气，传热方式为空气对流传热，设置距离电缆仿真模型左右2m处的土壤边界传热方式为热传导，保持边界热流密度值不变；距离电缆模型下方2m的土壤边界几乎不受电缆传热的影响，所以设置电缆模型下方2m的土壤边界的温度保持不变；
潮间带中电缆直接与海水中土壤接触，土壤上方1m为海水，传热方式为海水对流传热，设置距离电缆仿真模型左右2m处的土壤边界传热方式为热传导，保持边界热流密度值不变；距离电缆模型下方2m的土壤边界几乎不受电缆传热的影响，所以设置电缆模型下方2m的土壤边界的温度保持不变；
深水区中电缆直接与海水中土壤接触，土壤上方2m为海水，传热方式为海水对流传热，设置距离电缆仿真模型左右2m处的土壤边界传热方式为热传导，保持边界热流密度值不变；距离电缆模型下方2m的土壤边界几乎不受电缆传热的影响，所以设置电缆模型下方2m的土壤边界的温度保持不变。
6.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5)中，设置分布式光纤传感仪器测量光缆的温度值为T0，以此为基准，设置环境温度范围为T0-20℃～T0；采用二分法进行仿真计算环境温度对光缆温度的影响，首次设置仿真模型中的环境温度为T0-10℃。
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
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