±500kV直流海缆在J型管敷设环境下的稳态载流量仿真研究EI北大核心CSCD

高压直流海底电缆稳态载流量的计算对海底电缆工程的设计和运行非常关键。该文利用COMSOLMultiphysics仿真软件,建立±500kV直流海底电缆在J型管敷设环境下的三维电-热-流耦合模型。针对J型管位于海面之下和海面之上2种情况,分别计算海缆的稳态载流量、温度分布以及电场分布。结果表明,J型管海缆运行在海面之下时载流量比运行在海面之上高约2倍。此外,发现海缆绝缘中的电场分布取决于绝缘内外层的温度差,当绝缘层内、外表面温差等于6.0℃时,整个绝缘层电场均匀分布,大小为16.7kV/mm;当绝缘层内、外表面温差大于6.0℃时,海缆绝缘电场分布沿电缆径向由内向外逐渐增大;当温差小于6.0℃,绝缘电场分布沿电缆径向由内向外逐渐增小。另外,减小J型管壁厚和增大J型管外径可以在一定程度上提升海缆的稳态载流量,对运行在海面之上的J型管内电缆施加通风冷却可将其稳态载流量提升约73%。     

矿用高压屏蔽电缆结构对电场分布的影响

为了研究矿用高压屏蔽电缆结构尺寸对电场分布的影响,以6/l0 kV MYJV22矿用XLPE电缆为研究对象,利用ANSYS有限元软件建立了电缆结构模型,分析电缆半导电屏蔽层、绝缘层厚度、线芯半径及电缆长度对电场分布的影响,并通过电缆绝缘击穿强度的分析对研究结论进行了验证。结果表明:电缆中最大电场强度位于导体屏蔽表面处,且半导电屏蔽层结构对改善绝缘径向电场分布有很大的作用;最大电场强度随着绝缘层厚度的增加而减小,而击穿强度变化不大;随着电缆长度的增加,最大电场强度与击穿强度略微下降;随着线芯截面的增大,击穿强度随之下降,但绝缘层承受的最大场强也相应减小。     

高压直流电缆接头稳态温度场分布及其影响因素

温度是反映电缆中间接头运行状态的重要参数。与交流不同,高压直流电缆中间接头绝缘层温度的变化影响着电场分布和空间电荷的积累,因此不仅要关注接头线芯的温度,更要研究绝缘层温度和绝缘层内外表面温差的变化。建立了高压直流XLPE绝缘电缆中间接头的简化模型,利用有限元软件进行仿真,得到了接头绝缘层稳态温度分布,并研究了不同线芯电流和电缆接头外表面温度分别对接头导线芯温度、XLPE主绝缘和硅橡胶（SIR）增强绝缘层温度分布以及绝缘层内外表面温差的影响。结果表明：直流高压下,线芯电流对三者影响较为显著;接头外表面温度对接头导线芯最高温度、绝缘层最高温度和绝缘层温度分布有影响,而对绝缘层内外表面温差的影响可忽略不计。     

基于热力耦合的高压大截面电缆应力和形变研究

为了研究高压大截面电缆运行过程中受热产生的应力和形变,根据传热学和弹性力学基本理论,利用有限元方法建立高压大截面电缆热力耦合模型计算其应力及形变。根据计算结果得到电缆各层温度、应力和形变的分布特性。通过对不同负荷电流下的温度、应力和形变数据进行拟合,提出相应的快速计算公式。结果表明:导体与绝缘层交界面的接触应力最大;最大轴向形变出现在绝缘层;外护层与缓冲层的径向形变较大;温度、应力和形变可由与负荷电流相关的二次多项式进行快速计算。     

30kV直流XLPE电缆电场及温度场的仿真计算

根据电流场和静电场理论,分析了在计算电缆绝缘层电场分布时必须同时考虑电导率和空间电荷的影响。为计算直流交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘层径向电场及温度场分布,应用多物理场有限元仿真软件COMSOL模拟实际运行工况,解决了电热耦合场场量的计算。仿真计算时,电导率模型采用的是最适合XLPE绝缘材料的经验公式;设计阶段的空间电荷数据是采用电声脉冲（PEA）技术测量绝缘样品而得到。仿真计算结果表明,设计的30kV直流XLPE电缆是满足设计和实际运行要求的。     

高压直流海底电缆电–热–流多物理场耦合仿真

高压直流电缆运行时径向温度和电场分布是反映其运行状态的重要参数,考虑流场的海底电缆电热耦合规律研究具有重要意义。依据南澳直流工程±160 kV高压直流海底电缆,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了海缆本体及其敷设环境的3维电–热–流耦合模型,以控制变量法研究了铺设和埋设2种敷设方式下海缆载流量、海水温度和海水流速对海缆径向温度和电场分布的影响。结果表明:载流量是海缆径向温度和电场分布的主要影响因素;在该模型下海缆导体温度和绝缘层温差与海水温度存在线性关系;很小的海水流速能显著降低海缆温度,因此提出静止海水散热的流速修正系数;海水流动有利于海缆散热,导致海缆温度分布发生变化,同时影响海缆绝缘材料电导率而导致电场分布发生改变。     

±400kV高压直流电缆绝缘厚度设计与验证

本研究以±400 kV高压直流模型电缆为研究对象,开展了直流耐压试验和冲击耐压试验,获取模型电缆在最高运行温度下的直流击穿电压和冲击击穿电压,求解其在直流击穿电压和冲击击穿电压下的电场分布;基于平均场强法和最大场强法分别设计±400 kV高压直流电缆绝缘厚度,并计算了直流电压和冲击电压下绝缘层电场分布;通过对比±400 kV高压直流电缆和模型电缆的电场分布,最终得出了±400 kV直流电缆绝缘厚度.结果表明:采用平均场强法进行高压直流电缆绝缘厚度设计时,绝缘厚度取决于冲击电压;而采用最大场强法进行绝缘厚度设计时,绝缘厚度取决于直流电压.     

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。     

气隙对车载电缆终端电—热场影响仿真研究

在急速温变、振动等工况下,多层热缩复合绝缘结构车载电缆终端绝缘层间容易产生气隙缺陷,气隙将导致电缆终端电场和热场畸变,引起终端内部局部放电及绝缘材料老化.文中通过有限元仿真建立了车载电缆终端气隙三维模型,分析了气隙长度、厚度及跨度对电缆终端热场和电场的影响.仿真结果表明:气隙的存在造成了电缆终端内部电场严重畸变,畸变场...     

非线性屏障层对HVDC电缆电场分布的影响

电缆绝缘中的电场分布是决定高压直流电缆输电线路长期可靠运行的主要因素,非线性材料能够在电场不均匀的情况下自行均化电场的分布,对电树枝的生长和空间电荷的产生起到明显的抑制作用。为此,尝试将非线性材料作为屏障层置于电缆屏蔽层与绝缘层之间,并采用多物理场耦合软件建立仿真模型,分别在不同温度梯度下研究屏障层结构对高压直流(HVDC)电缆绝缘中暂态和稳态电场分布、空间电荷的影响。仿真结果发现:与无屏障层相比,添加非线性屏障层的电缆绝缘中稳态及暂态电场强度最大值均有所降低,即屏障层结构能够抑制绝缘中空间电荷的注入,改善电场分布;屏障层越厚,绝缘中空间电荷越少,电场强度最大值越小,但界面电荷会有所增加。从上述结果可以看出:屏障层可均化电缆绝缘中的电场分布,但同时会引起界面电荷的积聚。因此在开发具有非线性屏障层结构的HVDC电缆时,屏障层厚度的选择应综合考虑界面电荷积聚和电场分布,从而达到改善电缆绝缘性能的目的。     

基于有限元的交直流电缆绝缘缺陷电场分析方法比较

绝缘缺陷对交直流电缆内部的电场分布存在差异,直流电缆电场分布的数值分析应使用传导电流场方法,本文通过数值分析方法比较了绝缘缺陷对交直流电缆绝缘电场分布的影响关系。分析结果表明:不同绝缘缺陷材质,不同电缆类型,电缆绝缘的电场分布特征有较大差异,直流电缆绝缘中的低电阻颗粒物缺陷对其绝缘的电场强度影响最大,交流电缆中的低电阻颗粒物缺陷和直流电缆中的气隙缺陷对绝缘中的局部电场影响特征相同,绝缘缺陷位置对交直流电缆绝缘电场分布的影响存在显著差异。研究结果对交直流电缆绝缘缺陷的电场分析方法具有借鉴意义。     

大型干式潜水电机定子电场分布特性对绝缘的影响

在干式潜水电机(800 kW/10 kV)的基础上建立定子槽部和绕组模型,通过有限元分析方法计算电场在槽部和绕组表面分布情况,进而分析定子绝缘性能,重点探讨了定子槽部绝缘层中气隙存在时的电场分布和定子绕组绝缘层中电场的分布情况,通过对仿真结果的分析为干式潜水电机定子绝缘优化设计提供理论依据。     

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.     

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。     

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。     

脐带缆绝缘厚度选择的有限元方法

为探索结构复杂的脐带缆中电场分布与绝缘厚度是否合理,在传统解析计算的基础上利用有限元法对脐带缆进行分析,建立脐带缆端面的二维模型,选择仿真软件ANSYS对其电场进行分析,并对比不同绝缘材料、不同绝缘层厚度以及不同脐带缆端面结构对电场分布带来的影响,得到了绝缘厚度的计算方法.实践验证,该算法能够确定复杂截面结构的电力电缆绝缘厚度.     

双层绝缘结构高压直流电缆电场分布仿真

参照油纸绝缘高压交流(HVAC)电缆的分阶绝缘设计思想,采用不同非线性绝缘材料制造具有双层绝缘结构的高压直流(HVDC)电缆来改善电场分布以及减薄绝缘层厚度是一种可能的解决途径。为了从理论上验证双层绝缘设计理念在HVDC电缆绝缘设计中的可行性,采用多物理场耦合软件仿真研究了不同温度梯度、不同施压方式下分层半径对双层绝缘结构HVDC电缆绝缘稳态和暂态电场分布的影响规律,在此基础上定义了同时考虑稳态、暂态电场和温度梯度多重因素的综合绝缘利用系数,并提出了按绝缘材料的电导率内小外大排列、相对介电常数内大外小排列确定内外层绝缘原则和综合绝缘利用系数最高的分层半径确定原则,最后验证了该双层绝缘设计原则的合理性。电场仿真结果发现:与单层绝缘电缆相比较,双层绝缘结构HVDC电缆在高温度梯度下可显著改善电缆绝缘稳态和暂态电场分布,且温度梯度越高改善效果越显著;雷电冲击过程中绝缘内的暂态电场分布受直流稳态过程形成的界面及空间电荷的影响,而双层绝缘结构HVDC电缆绝缘稳态过程中形成的界面及空间电荷与温度密切相关,因而温度也是影响雷电冲击过程中绝缘暂态电场分布的因素。     

绝缘料电阻率对直流电缆电场分布影响及其调控

直流电缆在运行过程中,由于绝缘层中温度梯度的存在和绝缘料电阻率负温度系数特性会造成绝缘层中电场分布反转,从而增加直流电缆绝缘结构设计的困难。基于100 k V直流电缆结构参数并结合理论推导,采用仿真模拟分析了绝缘层温差、绝缘料电阻率温度系数和电场强度系数对直流电缆电场分布的影响。提出了基于纳米复合技术的直流电缆绝缘料电阻率温度系数调控方法。结果表明,降低绝缘料电阻率温度系数能够有效抑制直流电缆绝缘层中的电场分布反转,并降低直流电缆正常运行时的最大场强;通过纳米复合技术在纳米颗粒与绝缘基体的界面区引入深陷阱能有效抑制高温下绝缘料电阻率的下降,从而降低其电阻率温度系数。     

海底电缆抗拉性能数值分析

海底电缆在敷设、运行过程中,受外界因素的影响不可避免将受到拉伸荷载的作用.由于海缆结构复杂,不同结构层材料不同,各层之间力学性能差距较大,研究各结构层的力学性能对海缆正常运行至关重要.采用数值模拟软件建立海缆的拉伸有限元模型,模拟分析不同载荷下各结构层的力学性能,着重分析了铠装钢丝应力承载比例及应力分布,计算结果可为海...     

交联聚乙烯挤出绝缘高压直流电缆全工况运行考核及温度梯度下空间电荷测量

为深入研究分析不同运行负荷条件下交联聚乙烯(XLPE)挤出绝缘高压直流电缆绝缘层温度梯度对空间电荷和电场分布的影响,综述了现有直流电缆试验标准及评估方法,并介绍了高压直流电缆全工况运行考核控制系统和全尺寸电缆空间电荷测量系统的研制过程,以及均匀温度和不同绝缘层温差条件下某高压直流电缆及附件样品考核试验和空间电荷测量结果。该系统电缆绝缘层内外最大试验温度差为40℃,可以实现对绝缘厚度达16 mm的高压直流电缆在运行工况下进行空间电荷测量。在控制绝缘层温度梯度条件下,靠近温度较低的外半导电层处异性电荷聚集明显,且随绝缘层温差增大电荷密度大幅增加,低温区界面电场畸变严重。在绝缘层温度差为40℃时,低温区界面场强达到均匀温度条件下平均场强的1倍。