三芯海底电缆中光纤与缆体应变关系的有限元分析方法

为了利用分布式光纤应变传感技术测量的光纤应变反映三芯光纤复合海底电缆的缆体应变,通过有限元方法进行了建模、求解和分析。通过合并导体屏蔽、绝缘屏蔽、半导体阻水层、填充层,忽略黄铜带、铠装垫层、外被层,对模型进行了简化;选用SOLID164单元对模型进行了动力学分析;施加匀速载荷对海缆进行了拉伸仿真试验。利用最小二乘法对铜导体、XLPE、铅护套、钢丝铠装与光单元的应变进行了拟合,获得了它们的函数关系式。模型求解结果满足弹塑性材料特性,可为研究海底电缆的力学性能、判断海底电缆工作状态提供参考。     

利用有限元法分析单芯光纤复合海缆扭转与光纤应变的关系

利用有限元法建立了海缆扭转模型,对其进行网格划分、施加扭转载荷,模拟海缆不同角速度下的扭转过程,最终提取了铜导体和光单元的应力、应变数据,并对铜导体的径向和轴向应力、应变分布以及扭转速度与铜导体应力、应变的变化关系进行了分析。结果表明,在同一时刻铜导体径向应力、应变由内到外依次增大,轴向应力、应变分布与扭转角度大小有关;海缆以不同角速度扭转时,铜导体的应力、应变的变化与角速度的大小呈现出了一定的规律,整体趋势一致。最后,建立了光纤应变与铜导体应力的关系函数,为利用光纤传感技术监测海缆的扭转状态提供了理论依据。     

海底光缆锚害的有限元分析

船锚造成的海缆故障非常普遍,船锚的钩挂是造成海底光缆故障的主要原因,对海底光缆的锚害研究迫在眉睫。首先建立了船锚钩挂海缆的有限元模型,进行了船锚钩挂海缆的仿真,然后通过分析海缆受到船锚钩挂后的变形和应变,研究了海缆各组成部分抗船锚钩挂的能力、船锚损害海底光缆的机理以及海缆结构与抗船锚钩之间的关系,得出了相关的结论。     

扁钢丝铠装光纤复合海缆拉伸试验与仿真分析

随着海洋电力传输的快速发展,扁钢丝铠装型海缆将具有潜在的应用前景。利用研制的扁钢丝铠装光纤复合海缆样品开展拉伸试验及有限元仿真研究,分析了海缆敷设时的受力情况。结果表明:1)海缆伸长率随敷设拉力增加而增大,拉伸端铠装钢丝会产生沿自身方向的旋转和应力释放,仿真后海缆伸长率、拉伸刚度等结果与试验基本一致,结果具有可参考性;2)相比于其他结构,内垫层和外被层应变变形较大,最大应变值比内部线芯大1～2个数量级,可对内部线芯起到良好的缓冲保护作用;3)结合实际试验和仿真结果,光单元钢管最大应变为海缆整体最大应变值的8.5%,处于加载区域,中间段平均应变量级与内部线芯一致。实际拉伸测试光单元附加衰减0.05d B,符合标准要求,结果表明扁钢丝铠装型海缆敷设时最大拖拽力对光单元的性能无影响;4)海缆拉伸过程中,端部会产生较大的变形波动和应力集中效应,实际施工敷设时需加以防护。海缆内部各层应力、应变变化趋势与圆钢丝铠装型一致,表明2种铠装形式海缆抗拉性能基本一致。     

三芯海底电缆中复合光纤与导体温度关系建模

三芯光纤复合海底电缆中光纤以内填充层热阻的准确计算是建立光纤与导体温度关系的关键和难点。本文在建立三芯海缆热路模型的基础上,根据虚拟热源和镜像法,利用光纤温度计算出填充层外径处温度,进而计算出铠装层外径处温度;根据傅氏传热学原理计算出光纤处等温面至铠装层外径处等温面的热阻;利用形状因子法计算出填充层内径至铠装层外径的总热阻,再减去光纤处等温面至铠装层外径处等温面的热阻,得到光纤以内填充层的热阻;根据热路模型建立了光纤与导体的温度关系方程,并用有限元求解结果验证了方程的正确性。结果表明,三芯海缆的光纤与导体温度呈线性关系,导体温度每上升1.15℃,光纤温度上升1℃;相同导体温度下,环境温度每上升7.7℃,光纤温度上升1℃。根据光纤温度和环境温度可计算出导体温度,作为三芯海缆导体温度监测和载流量计算的理论依据。     

利用光纤应变判断光电复合海缆锚害程度的有限元分析法

锚害占海缆机械故障的80％以上,不同程度的锚害会导致海缆发生漏电、接地、短路和断缆事故,及时发现锚害并判断锚害程度十分重要.本文提出了利用光电复合海缆中光纤的应变判断海缆锚害程度的有限元分析法.建立了110kV光电复合海缆的有限元模型,对海缆锚害过程进行了仿真和分析,建立了海缆锚害过程中铠装层应力和光纤应变的分段时间函数,对锚害程度进行了分级,并用海缆模型试验验证了仿真结果.结果表明,海缆锚害程度的加剧导致光纤应变的增加,海缆锚害过程可用5个分段函数表示,锚害程度可分为三级,分别对应0.12％、0.35％和1.1％的光纤应变,可利用分布式光纤传感技术测量的光纤应变判断海缆的锚害程度.     

海底电缆扭转损伤的参量化评价方法

海底电缆在运输、敷设过程中，不可避免地会发生扭转，若扭转角度过大，会对其造成不可恢复的损伤。本文利用有限元方法建立了海底电缆的扭转模型，通过分析应力、应变的时空分布特点，确定了能够有效反映海缆力学特性的特征参量，制定了扭转故障发生时各特征参量的阈值，建立了能够表征海底电缆扭转行为的力学参量体系。结果表明：海缆发生扭转初期，其轴向各结构应力分布较为均匀；随着扭转角度的增加，缆体轴向应力分布会出现波动，可建立包括铜导体应力、XLPE绝缘层应力、铅合金护套应力、铠装层应力和扭转角度的参量体系，对海缆扭转行为进行参量化评价。     

洋流冲刷下的海底电缆动力学有限元分析

利用ANSYS软件,采用直接流固耦合的方法建立了洋流冲刷海缆的三维有限元模型,采用FLUID142单元建立流体域,SOLID1185和SHELL181单元建立海缆本体固体域模型,通过定义流固耦合交界面实现流固耦合,完成洋流冲刷下的海底电缆动力学有限元建模。最后进行仿真计算,并对仿真结果数据进行提取和处理,获得了海缆各层结构的位移和应变数据。     

光电复合海缆中光纤与导体温度关系的有限元分析方法

根据光电复合海缆中的光纤温度计算导体温度是进行导体温度监测和载流量计算的关键。本文利用有限元法建立了110 kV光电复合海缆的有限元模型,根据IEC 60287标准计算出热载荷,分析了负荷电流、环境温度、土壤与海水的表面传热系数等因素对海缆本体及周围温度分布的影响,建立了海缆导体温度、光纤温度和环境温度的关系式。结果表明,导体温度与光纤温度呈线性关系,光纤温度每升高1℃,导体温度升高1.3℃;相同光纤温度下,环境温度每升高1℃,导体温度下降0.3℃;海缆发热主要耗散于周围1.6m以内的土壤中,土壤与海水表面传热系数对结果的影响可以忽略。根据光纤温度和海水温度,可计算出导体温度,作为海缆导体温度监测和载流量计算的理论依据。     

单芯光纤复合海底电缆弯曲有限元建模

海底电缆的严重弯曲会导致漏电、接地、短路和断缆等事故。通过实体实验研究海底电缆的弯曲特性存在成本高、难度大,海底电缆各层结构数据不易获取等问题。为此,文中提出了单芯光纤复合海底电缆弯曲有限元建模实验方法。对海底电缆的结构进行了简化,建立了单芯海底电缆有限元模型,选用SOLID164和SHELL163单元,利用ALE算法,结合扫略和映射方法进行网格划分,对模型进行了求解,根据力学和结构特性对海底电缆进行了单端约束并施加转动惯量载荷,真实地模拟了海底电缆的弯曲过程。结果表明,模型沙漏能控制在内能的1%以内,海底电缆各层应力、应变数据符合弹塑性材料特性和工程经验,为海底电缆弯曲特性的研究和光纤传感技术的应用提供了参考。     

基于IEC 60287和有限元法的高压海底电缆温度场分析方法

高压交联聚乙烯(XLPE)海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,分析导体温度时需要考虑较多因素。笔者详细介绍了海缆分层及参数计算注意事项,参照IEC 60287标准进行计算,建立了海缆的精确热路模型,获得了海缆导体温度及各层温度的矩阵方程。采用有限元方法仿真了不同环境温度及负荷下的海缆温度场,环境温度在14~24℃之间、电流在100~500 A之间变化时,热路模型与有限元仿真获得的导体温度偏差小于0.3℃。仿真结果表明,热路模型得到的导体温度及各层温度关系的计算精度满足要求,且与外界环境温度无关,为精确计算海缆导体温度提供参考。     

基于IEC 60287和有限元法的高压海底电缆温度场分析方法

高压交联聚乙烯(XLPE)海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,分析导体温度时需要考虑较多因素。笔者详细介绍了海缆分层及参数计算注意事项,参照IEC 60287标准进行计算,建立了海缆的精确热路模型,获得了海缆导体温度及各层温度的矩阵方程。采用有限元方法仿真了不同环境温度及负荷下的海缆温度场,环境温度在14~24℃之间、电流在100~500 A之间变化时,热路模型与有限元仿真获得的导体温度偏差小于0.3℃。仿真结果表明,热路模型得到的导体温度及各层温度关系的计算精度满足要求,且与外界环境温度无关,为精确计算海缆导体温度提供参考。     

500 kV充油海底电缆导体温度分布式光纤传感监测及应用

依据海南联网系统500 kV海底电缆捆绑特殊海底光缆的实际情况,通过分布式光纤传感技术结合经有限元仿真模型优化的IEC60287热路模型的方法可以监测海底电缆内部的温度分布。在实验室中搭建岸上模拟实验平台,利用中压电缆捆绑光纤的结构进行捆绑电缆岸上模拟实验。同时,将经验证的温度监测方法应用于海南联网系统500 kV海底电缆,以C相空气段为例监测捆绑电缆光单元的温度。采用有限元仿真计算电缆表面的温度,根据电缆表面的温度基于热路模型推导出对应的导体温度,得到电缆导体在实际运行过程中的温度变化。岸上模拟实验测量的导体温度与数值计算得到导体温度的误差低于1.77%, 验证了海底电缆导体温度监测方法的准确性。     

基于电—热场耦合分析的高压大容量直流XLPE海缆绝缘结构研究北大核心CSCD

随着交联聚乙烯直流海缆向着高电压、大容量的方向发展,其在工程应用中也遇到了温度和电场两方面的挑战。文中结合±160 kV XLPE直流海缆建立了XLPE海缆的电场仿真模型和热路模型,对更高电压等级的XLPE直流海缆的结构特点进行了探讨。通过仿真发现,直流海缆绝缘层的厚度同时影响海缆的温度和场强分布,在对高电压、大容量海缆设计时需要综合考虑绝缘材料能承受的最大场强和最高温度,选取合适的绝缘层厚度。同时,通过仿真对比铜、铝导体电缆对电场、温度的影响发现,铜导体电缆运行温度较低,有利于电缆稳定运行,而铝导体海缆虽然体积更大,但其重量小,更有利于安装敷设。     

锚害对500 kV海底电缆结构层的影响

锚害是影响海底电缆线路安全稳定运行的主要危险因素,为分析锚害对高压海底电缆机械和电气性能的影响,有必要对锚害造成的海底电缆结构层变形及海缆绝缘层电场分布进行有限元计算。该文首次建立了500 kV交流交联聚乙烯绝缘铜丝铠装海底电缆锚害有限元模型,利用非线性动力学算法求解海底电缆受到锚害后各结构层的应力及应变分布,重点分析了锚害直接作用部位绝缘层截面的应变分布;并根据锚害后绝缘形变情况,建立了不同压缩率下绝缘电场的有限元模型,求解出不同压缩率下绝缘层电场的分布数据;同时利用最小二乘法拟合得到锚害后绝缘电场与压缩率的关系方程。结果表明:锚砸和钩挂2种锚害形式对海底电缆形变影响为绝缘产生椭圆化变形,该变形导致绝缘电场强度局部升高,电场变化与绝缘层的压缩率成指数关系。研究结果可为海底电缆锚害故障评估提供理论和数据参考。     

海底电缆用阻水型线导体设计方法及试验研究

阻水导体的设计制造是海底电缆领域内的关键课题之一。提出一种等截面梯形型线阻水导体结构的理论设计方法,通用性强,可编程性高,适用于50~3 500 mm²阻水导体的设计和生产制造,可解决阻水型线导体设计和制造困难、尺寸不合理等问题,导体填充系数可达到0.96以上;然后,通过阻水、机械、电气性能试验,验证所述理论设计方法和工艺制造的合理性,导体结构对海缆的整体性能无不良影响,且阻水胶型线导体结构优于阻水带结构;最后,根据理论计算,所述方法设计的中压海缆型线导体外径比紧压圆形导体小3.9%~7.0%,最大可降低1.1%的制造成本。导体截面越大,型线导体结构优化越显著,验证了型线结构海缆的经济性。     

基于BOTDR的光纤复合海底电缆应变/温度监测

高压光纤复合海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,日常巡检和状态检测实现难度大,利用分布式光纤应变和温度测量设备对其进行监测十分必要。为此,利用Brillouin光时域反射计(BOTDR)对110 kV光纤复合海底电缆中的复合光纤进行了应变和温度标定实验,比较了不同光纤Brillouin频移的应变/温度系数和初始频移的区别,给出了利用光纤中Brillouin频移分布曲线进行接续点精确定位的方法,对运行中的海缆进行了全面、实时、长期的状态监测和数据分析。结果表明:海缆光单元中不同光纤的Brillouin频移应变/温度系数基本相同,约为0.05 MHz/10-6和1.05 MHz/℃,但初始频移差别较大,变化范围约20 MHz;光路中接续点处的Brillouin频移变化明显,可作为定位依据;利用Brillouin频移监测海缆的应变和温度需结合海底地形、地质、洋流、环境温度、负荷电流等因素。     

考虑粗糙表面接触的气体绝缘开关设备接头接触电阻数值计算与影响因素分析

气体绝缘开关设备回路存在大量插接式电气接点,其接触电阻的稳定性直接影响设备的安全稳定运行。基于粗糙表面弹塑性接触理论和有限单元法建立了梅花接头接触电阻数值计算模型。在有限元模型中加入抱紧弹簧与接头材料的弹塑性形变,通过结构场有限元分析获取由抱紧弹簧提供给触点上的接触压力,将计算得到的接触压力作为输入参数带入到基于Bahrami粗糙表面弹塑性机械接触模型中,并计算接头与导体之间的接触电阻。计算结果与110 k V原型气体绝缘母线回路的电阻测试结果基本一致,验证了计算模型的有效性。应用该模型分别分析了导体与接头的对接深度和对接角度对触点接触电阻的影响,计算结果表明:在接头装配公差允许范围内,对接角度变化对接触电阻的影响有限,导体对接深度不足是引起接触电阻异常的主要原因。     

IGBT薄层电极脱落机理分析与寿命预测方法

芯片表面电极薄层脱落是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)封装模块的一种常见失效现象,因此对其失效机理分析与寿命的有效预测是整体器件可靠性评估中的一个研究要点。首先通过仿真分析了芯片表面电极的应力应变随功率循环载荷的变化情况,发现芯片表面铝电极薄层与引线的键合位置附近区域存在应力集中情况,且应力集中的位置与实验中失效样品的断裂位置一致。此外还发现应力集中区仅在起初的短时间内存在一个逐渐减小的塑性应变幅,随后由于材料硬化,塑性屈服点上移,直至失效塑性应变都不再变化,因此可以推测材料的断裂失效是由于稳定后的塑性应变和循环应力综合导致的,鉴于上述分析,提出了一种同时考虑材料硬化和应力疲劳的寿命预测公式,并采用其他两种条件下的实验寿命值评估了此公式的准确性,总体平均误差为1%。     

基于单斜坡法的光电复合海缆温度、应变快速测量方法

介绍了海缆监测的必要性和基于光纤分布式传感的高压光电复合海缆在线监测系统。为了提高基于布里渊散射的海缆温度、应变测量的实时性,介绍了单斜坡法的原理并将其引入海缆在线监测方法中。给出了基于洛伦兹模型时单斜坡法布里渊频移的计算公式。基于数值产生不同信噪比的布里渊谱和实测裸光纤/海缆复合光纤的布里渊谱。比较了单斜坡法和基于扫频方式的谱拟合法的准确性和实时性,重点研究了布里渊谱不同信噪比和光纤沿线布里渊频移不同程度波动情况下工作点的选择问题。结果表明:单斜坡法可使布里渊谱测量时间减少到原来的几十分之一甚至更小,同时布里渊频移误差仅小幅增加。用于海缆温度和应变监测时单斜坡法工作点建议选择为光纤沿线布里渊频移的均值减去一半的线宽,所确定的工作点对不同信噪比和光纤/海缆复合光纤沿线布里渊频移常见程度波动情况均具有不错的适应性。