基于有限元的電纜載流量計算方法與流程

本發明涉及刷子
技術領域：
，特別涉及基于有限元的電纜載流量計算方法。
背景技術：
：電纜載流量是指一條電纜線路在輸送電能時所通過的電流量，在熱穩定條件下，當電纜導體達到長期允許工作溫度時的電纜載流量稱為電纜長期允許載流量。現有技術中，計算主流是采用國際電工委員會(iec)計算標準iec60287，經過多年修正補充，計算結果已趨于完善，但仍存在一定不足，主要在于適應電纜多樣化使用方面，雖然根據標準中的公式可以很方便計算載流量，但是部分算法過于繁瑣，計算結果也偏于保守。另外其僅給出了單回路電纜臨近效應計算公式，實際常常以多個回路以集群方式敷設。對于排管、隧道燈敷設形式，標準中給定的是根據經驗總結的計算公式，實際中存在自然對流、熱輻射和熱傳導等導熱方式的耦合，簡單的經驗公式也會存在一定誤差。有限元法作為一種數值計算方法，在給定電纜敷設、排列條件和負荷條件下對整個溫度場域進行分析，大地和電纜表面溫度都是待求量，更加接近實際邊界條件，對于分析復雜電纜系統有更大的靈活性。且可以形成溫度場分布，直觀地觀察分析電纜幾周邊環境溫度場分布，形象的反應電纜載流量的狀態，為相關設備的設計和研究提供基礎。技術實現要素：有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明提供基于有限元的電纜載流量計算方法，實現的目的之一是能夠更加精確和形象的反應電纜載流量的狀態，為相關設備的設計和研究提供基礎。為實現上述目的，本發明公開了基于有限元的電纜載流量計算方法，采用有限元仿真軟件comsolmultiphysics進行建模，通過計算仿真電纜熱場分布，獲得相應截面電纜在需求環境情況下的載流量，步驟如下：a.設置和/或選取所需的仿真模型模塊；b.根據電纜的實際尺寸建立仿真模型；c.設置所述電纜以及所述電纜所處環境的求解域；d.設置邊界條件；e.網格劃分；f.求解設置；g.求解計算導體的溫度是否達到持續工作時最高允許溫度；h.若步驟g中得出的結論為是，則仿真結束，達到最高允許溫度時的電流即為電纜載流量；若步驟g中得出的結論為否，則改變通過導體的電流值后，重復循環執行步驟e至步驟g，直到得出的結論為是。優選的，所述步驟a中，所述設置和/或選取所需的仿真模型模塊是指，采用所述有限元仿真軟件comsolmultiphysics中的2d維度模型，采用“熱傳模式”中的“廣義熱傳”模式。優選的，所述步驟b中，所述根據電纜的實際尺寸建立仿真模型是指，根據電纜敷設相對間距位置、電纜尺寸大小、環境情況，按實際電纜尺寸建立電纜平面模型和電纜外界環境；對所述電纜的中間導體根據實際電纜尺寸建模，對所述電纜的外部僅考慮絕緣層、金屬護套及外護套。優選的，所述絕緣層可根據需計算電纜的實際使用材料確定，如采用xlpe交聯聚乙烯材料制成，所述金屬護套及外護套可根據需計算電纜的實際使用材料確定，如采用pe聚乙烯材料制成。優選的，所述步驟c中，設置所述電纜以及所述電纜所處環境的求解域是指，所述仿真模型主要由導體、絕緣層、金屬護套、外護套、外界環境組成，熱傳計算采用如下理論計算方程式：其中：k：熱傳系數(w/m·k)；t：溫度(℃)；q：熱源(w/m3)；qs：生長/吸收系數(w/(m3·k))。優選的，所述熱傳系數k；所述生長/吸收系數qs設置為0，所述熱源通過電流產生，通過以下公式進行計算：其中：i：電流(a)；r：電纜導體電阻(℃)；q1：電流產生的熱源(w/m3)；qs：生長/吸收系數(w/(m3·k))；s：導體截面積(m2)。優選的，所述步驟d中，所述設置邊界條件是指，將環境邊界條件設置為溫度，根據載流量計算要求設置相應的溫度值；對于電纜各層邊界需勾選所述有限元仿真軟件comsolmultiphysics中“內部邊界”后進行設置；電纜除外護套之外的內部各層間邊界條件均選為連續，溫度通過材料間熱傳遞傳送；所述電纜的外護套邊界條件根據環境情況進行設置，并采用如下公式計算：其中：nu、nd分別表示邊界兩側法向向量，ku、kd邊界兩側熱傳系數，tu、td邊界兩側溫度。優選的，對于空氣接觸的所述邊界均設置為熱源/熱沉，載入所述有限元仿真軟件comsolmultiphysics的材料數據庫中的系數“nat.verticalwall,l＝height”，使用其相應值，等效為自然對流效果，外部溫度根據計算條件一般設置為空氣40℃。優選的，所述步驟f中，所述求解設置是指，進行求解器參數設置，當載流量計算根據電纜持續工作允許溫度進行計算時，采用穩態求解器，選用“直接(umfpack)”線性系統求解器，設置非線性相對公車為1.0e06，最大迭代數為25。本發明的原理在于，電纜載流量計算方法基于對電纜導體發熱溫度進行研究，根據《gb50217-2007電力工程電纜設計規范》常用電力電纜導體的最高允許溫度如下：常用電力電纜導體的最高允許溫度電纜載流量需滿足持續工作條件下導體最高溫度不超過相應值，通過改變流經導體電流值，獲取電纜溫度場分布，當導體溫度達到最高允許溫度時電流即為電纜載流量。本發明的有益效果：本發明采用有限元方法，有限元法作為一種數值計算方法，在給定電纜敷設、排列條件和負荷條件下對整個溫度場域進行分析，大地和電纜表面溫度都是待求量，更加接近實際邊界條件，對于分析復雜電纜系統有更大的靈活性。且可以形成溫度場分布，直觀地觀察分析電纜幾周邊環境溫度場分布，形象的反應電纜載流量的狀態，為相關設備的設計和研究提供基礎。另外模型建立后由計算機完成復雜計算，提高效率。以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。附圖說明圖1示出的是本發明一實施例的結構示意圖。圖2示出的是本發明一實施例網格劃分后網格的狀態示意圖。圖3示出的是本發明一實施例的溫度分布表面圖。圖4示出的是本發明一實施例的溫度分布等位圖。具體實施方式實施例以交聯聚乙烯電纜為例，其載流量需滿足持續工作條件下導體最高溫度不大于90℃，通過建立熱傳模型設置相應參數，獲取電纜溫度場分布，提高導體中電流，導體溫度達到90℃時電流即為電纜載流量。為便于對比仿真結果，根據某廠家產品手冊進行仿真設計，并與之手冊上相應條件的載流量廠家提供值進行對比。仿真電纜參數如下：載流量需計算的敷設條件如下：敷設環境空氣40℃電纜敷設形式水平敷設，間距250mm1.選用2d的廣義熱傳模塊，根據電纜實際尺寸及敷設情況，進行幾何建模，如下圖，外界矩形框模擬空氣環境。2.求解域設置因材料庫中存在本例使用材料，故直接從材料庫中選擇，絕緣及外護套材料接近，性能類似，可考慮參數相同。空氣初始溫度設置為40℃，其余可設置為25℃。對于中間銅導體，需設置熱源q值，如下圖設置為q1，q1在全局表達式中設置為q1＝i^2*r/(3.14*r1^2)。其中i為通過導體電流，r導體電阻，r1為導體半徑，相應值可在常數中進行設置，便于修改。3邊界條件設置勾選邊界條件中“內部邊界”，空氣設置為“溫度”，值為90℃；外護套邊界設置為“熱源/熱沉”，載入材料數據庫中的系數“nat.verticalwall,l＝height”等效自然對流情況，外部溫度設置為90度；其余邊界設置為90℃。4網格劃分該計算方法對網格沒有特殊細化要求，可按默認初始化進行網格劃分。如圖2所示，計算溫度場分布一般不需要特別細化的網格劃分，采用默認值初始化網格即可滿足要求，也可根據需求細化網格劃分。5.求解器設置設置穩態求解器，并采用“直接(umfpack)”系統求解器。6.求解計算，獲得溫度分布，通過改變電流值，當電流值為1452a時，獲得如下溫度分布，穩態時導體溫度達到363.154k即90℃。因此可以認為1452a為該種電纜在此種敷設條件下的載流量，如圖3和圖4使除的溫度分布表面圖和溫度分布等位圖。產品手冊中，此種情況下該電纜載流量為1487a，數值十分接近。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本
技術領域：
中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。當前第1頁12