基于ANSYS的复合海缆载流量计算-郭丽丽

基于ANSYS的复合海缆载流量计算

[郭丽丽，安博文]

[上海海事大学，201306]

[ 摘要] 基于ANSYS软件，建立复合海缆在不同埋设环境下的二维稳态模型。通过分析运算，模拟了复合海缆的温度分布状态，得到复合海缆导体与光纤温度对应关系，通过间接计算得到复合海

缆在不同的埋设环境下的载流量。为海缆实时运行状况监测以及输电线路的有效利用提供了依

据。

[ 关键词]载流量，复合海缆，温度场，ANSYS

Calculation of Load Flow about Composite

Cable Based on ANSYS

[GUO Li-li, AN Bo-wen]

[Shanghai Maritime University,201306]

[ Abstract ] Based on the ANSYS software, two-dimensional steady-state model related composite cable in different buried environment had been set up. By means of analysis and

computation, the temperature distribution state of composite cable had been simulated,

according to this, the composite cable conductor and optical fiber temperature relationship

and the load flow of composite cable buried in different conditions had been obtained which

provide a basis for of real-time monitoring the running status of composite cables and

effective use of electrical transmission lines.

[ Keyword ] Load flow, Composite cable, Temperature filed, ANSYS.

1前言

随着海洋经济的兴起，海岛与大陆联网工程建设以及海上石油天然气的开采，复合海缆的应用越来越广泛，承担着海岛及采油平台间的动力传输，其安全可靠性及运行潜力是用户关注的基本要素，其中导体的载流量为用户发挥海缆运行潜力、科学调度提供直接依据。

电缆载流量是在规定条件下，导体能够连续承载而其稳定温度不超过规定值的最大电流值，载流量的大小受导体及电缆绝缘材料的材质，环境温度，热阻系数，允许最高连续工作温度等因素制约。载流量设计到输电线路的可靠性、经济性及电缆寿命等问题，是电缆运行的重要基本参数。

目前国际上通用的载流量计算标准为国际电工委员会制订的IEC-60287标准。经过多年的修改和增补，该标准基本趋于完善，但对一些特殊结构电缆或复杂铺设条件下的电缆载流量该标准仍需要实验解决，因为一些参数取值具有不确定性，如：

电缆结构材料有关的参数；

环境条件有关的参数，其数值变化范围较大，取决于电缆铺设条件；

来自于制造商和用户之间协商的参数，包括电缆运行安全阈值和运行状况，例如最高导体温度。

此外，对于直接埋地、管道、沟槽或钢管中铺设的电缆，鉴于土壤的水分迁移其热阻系数会发生巨大的变化，为了准确的计算电缆在特定环境条件下的载流量，选取相应参数数值时需特别加以考虑。

因此，IEC-60287标准实际只能满足简单环境条件下的载流量计算，当电缆实际敷设环境不同于其设定的基准参数值时，需要通过大量试验来确定相应的校正系数，存在一定的局限性，且IEC-60287中并没有提及光电复合海缆载流量的计算方法。

电缆载流量计算公式是根据电缆稳态运行时所形成的热物理温度场微分方程的求解而得。根据电缆用于交流系统还是直流系统以及敷设方式的不同，载流量的计算公式也有所不同。此外，当空气中敷设时又有直接受阳光照射和不受阳光照射之分。土壤中敷设时当电缆表面温度超过50℃时周围土壤发生水分迁移而引起土壤局部干燥，其载流量计算公式也不同[1]。

由此可以看出实际电缆载流量的计算过程是非常复杂烦琐的。到目前为止，我国没有完整的结合地理和气象条件而制订的基准载流量资料。

载流量的定义决定其数值与导体温度息息相关，而海缆是否正常工作也可以通过其中导体的温度场反映出来，但是，由于其特殊的铺设环境，无法人工进行检测。

大型通用有限元软件ANSYS能够对热传导、热对流及热辐射三种传热方式进行很好的温度场仿真计算，因此，可以通过该软件建模，模拟复合海缆的发热过程，得到其温度场分布。从而推算出电缆在特定条件下的载流量数据。

2复合海缆结构模型

2.1计算模型

本工程计算模型包括复合海缆电缆模型和埋设环境两部分。

2.1.1复合海缆建模

复合海缆结构参数由施工方提供，具体结构如下：

为便于进行温度场分析及节约计算时间，将模型几何结构简化为圆环结构。

虽然导体为立体结构，但由于各截面几何结构及材料属性均匀，因此，采用复合海缆

截面建立二维模型。

2.1.2 埋设环境建模

本工程海缆部分埋设环境包括海床、潮间带淤泥质滩涂、土壤直埋和电缆沟四种。其

中，前三种需将埋设环境作为模型的一部分。

导体通电后热辐射会对周围环境温度产生影响，目前通用的为上下左右各20米建立矩

形土壤模型，这样的边界温度基本不受导体生热影响，但考虑到实际设备的测温精度及计算时间，本工程土壤模型的矩形尺寸由不同的埋设深度决定。

2.2 建模基本假设

在建模时需做一定假设：

（1）假设计算模型在高度和宽度范围内土壤及环境温度均匀；

（2）忽略各几何结构相互之间的导热热阻；

（3）假设复合海缆材料均匀，土壤热属性均匀；

（4）导体电阻率不随温度变化。

根据以上假设，复合海缆在不同埋设环境下的热传导可以简化为二维稳态传热过程，

其传热微分方程[2]为：

0)((=????+????y

t y x t x λλ。 （1） 2.3 计算模型中边界条件的确定

2.3.1 参数确定

复合海缆各材料属性及埋设环境土壤热传导系数都会对模型最终的温度场分布产生重

要影响。

其中，复合海缆自身材料属性基本固定不变，可以在建模时直接进行设置；但是，土

壤会随着导体热辐射而产生水分迁移现象，产生水分迁移后的土壤热传导系数是产生水分迁移前自然土壤的2到4倍，如果使用单一土壤模型，则计算结果会出现较大的偏差。工程实际中对于直埋和潮间带淤泥质埋设一般采用回填0.2m 厚沙土的方法，回填的厚沙土干

燥情况下热传导系数基本稳定为0.5W/m 2℃，因此，本工程参考这一做法，在复合海缆与

埋设土壤之间建立回填厚沙土模型。

2.3.2 对流换热方程

对流换热是指固体表面与其周围接触的流体之间，由于温度差异而引起的热量交换。

对流换热可以通过牛顿冷却公式[3]来进行描述：

q=h Δt （2） 其中，q —热流密度W/m 2

h —换热系数W/m 2℃

Δt —温度差℃

由于换热系数与流体的流动形态密切相关，因此，结合实际情况在本工程项目中，空

气和海水的对流换热系数需设置多个数值分别计算。

2.3.3 传热方程

热量传递是由固体内部的温差决定的，因此导热过程与物体内部的温度分布有密切关

系，传热可以用傅里叶定律公式[2]来进行描述：

q=-λgradt （3）

其中，q 为导热热流量；负号表示导热热流永远沿着温度降低的方向；gradt 表示温度

的梯度。

3 基于ANSYS 的有限元模型仿真

3.1 模型建立

（1）定义单元类型：2 维 8 节点热实体单元，2 维 4 节点热单元 (PLANE55) 的高阶版

本，作为平面单元或轴对称环单元，用于 2 维热传导分析。每个节点只有一个自由度——温度；

（2）定义材料属性：从导热系数、比热容、密度三个方面定义个材料属性参数；

（3）几何建模

（4）划分网格：确定网格划分等级，自动进行网格划分。

生成模型如下图所示：

Zt1000直埋有限元模型

3.2 求解

（1）定义分析类型：稳态热分析；

（2）施加载荷和边界条件：

温度—将确定的温度施加到模型的特定区域

对流—模拟平面和周围流体之间的热量交换

热生成率—代表体内生成的热，单位体积内的热流率；

（3）运算求解

3.3 数据查看记录

（1

）等温图结果如下图所示：

（2）数据列表显示：具体的导体与光纤之间的温度对应关系。

4 载流量计算

在3.2求解第二步施加载荷中，热生成率由公式p=I 2r 得到，其中，通过调整导体通电

电流，可以得到对应的热生成率，不同的热生成率在ANSYS 运算中生成不同的导体温度，使其最接近载流量所规定温度的电流值即为当前环境条件下复合海缆的载流量。

5结论

运用ANSYS软件对复合海缆进行建模运算，可以深入地了解复合海缆在不同的埋设环境下的温度场分布，通过导体温度与光纤温度间的对应关系，由BOTDA测得光纤温度可以间接得到导体温度，从而完成对复合海缆运行状况的实时监测。利用其强大的仿真计算能力，可以方便快捷地得到导体电流与温度的对应关系，从而求解出不同边界条件下的复合海缆载流量数据。

[参考文献]

[1]马国栋等编著．电线电缆载流量

[2]赵镇南传热学［M］．北京：高等教育出版社，2008

[3]吕柏源．挤出成型与制品应用［M］．北京：化学工业出版社，2002

[4]马伟锋,崔维成,刘涛,胡震. 海底电缆观测系统的研究现状与发展趋势.海岸工程，2009,9，28（3）：76.

[5]李强.基于DTS的电力电缆在线监测系统开发.中国石油大学，2009.

[6]邓凡平. ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社,2007.1.