有限元法下电缆金属护套感应电压的仿真研究

有限元法下电缆金属护套感应电压的仿真研究

姚虹吴军周德强

（无锡供电公司214061）

摘要：由于电缆技术护套感应电压的运行时间较长，很容易受电缆寿命与载流量的影响，如果不加大对感应电压的重视，将直接影响到电缆正常运行。为保证电缆结构符合要求，避免出现排列方式与距离受到不良因素的影响，这就需要将有限元法应用其中，以此完成电缆金属护套感应电压数值计算。因此，本文将从电缆金属护套感应电压解析计算入手，结合简化模型构建，重点研究基于有限元法电缆金属护套感应电压数值仿真计算分析。

关键词：有限元法；电缆金属护套；感应电压；仿真

前言：通过对我国高压电缆的研究发现，不少电缆金属护套感应电压问题逐渐显露出来，随着感应电压的出现，如果不能及时将该问题解决，不仅对人身安全造成较大威胁，还会带来一定的绝缘击穿事件，并不利于电缆安全运行，为减少这种情况的出现，离不开有限元法的应用，因此，有必要对此开展研究。

一、电缆金属护套感应电压解析计算

在电流流经电缆以后，电缆周边就会形成磁通，它不仅可以与纤芯回路相连接，还可以与电缆金属护层相连接，尤其是可以在金属护层上形成感应电压，而该电压的高低与纤芯电流大小有一定关系。通过研究发现，单芯电缆金属护套与感应电压之间的关系不仅与电缆负荷电流有关，还与电缆排列方式、线路长度以及邻近线路排列等相关[1]。所以，在实际设计的过程中就要加强与电缆金属护套感应电压三相电缆单回路排列方式的联系。

如某电缆金属护套位于O点，并存在三个电缆相位，这些相位之间处于平行状态，且规格相同，那么要了解金属护套与电缆之间的磁通，就需要根据以下公式来完成：

YO=2*10-7IAln

在该公式中，rs代表的是金属护套半径。通过计算就可以了解到电缆感应电压。同时在研究中发现，电缆感应电压与纤芯电流、技术护套等都有一定关系，所以，在计算电缆的水平敷设与三角敷设的过程中，只要将电缆间距相关内容带入到计算公式中即可，这样就可以获得相对应的感应电压。

二、简化模型的构建

在简化模型构建的过程中，应从仿真模型简化与假设入手，在这一过程中应注意单芯电缆内外半导电屏蔽层的运用，并不需要将电缆外铠装层纳入其中。为保证设计合理，在实际选择电缆材料与尺寸的过程中，应联系实际情况选择合适的内容，如选择纤芯的过程中，应以铜芯为主，在选择护套材料的过程中，也要选择铜材质材料，只有这样才能保证设计合理[2]。

在求解的过程中，应注意三相交流电的运用，并确定好最大收敛步数与精度，且按照合适的公式完成计算，在模型确认无误以后就可以利用求解器完成仿真求解。

三、基于有限元法电缆金属护套感应电压数值仿真计算

（一）敷设方式给感应电压带来的影响

通过研究发现，在有限元法的作用下敷设方式对电流相位的影响较大，在电缆纤芯不断降低的情况，绝缘层也在不断向沿径趋近，越接近沿径，感应电压越弱，之所以会出现这种情况与电缆排列位置、纤芯电缆相位等有直接关系，所以，在实际利用邻近效应的过程中，应加强与解域区域的联系，只有这样才能与实际情况相关联。当电缆处于三角敷设的过程中，为保证数值仿真结果合理，应注意与建模、软件误差的联系，只有这样才能更直观、更精确的体现出磁场分布特点[3]。

（二）不同护套材料给感应电压带来的影响

在有限元法中，不同护套材料给感应电压所带来的影响也不相同，为保证设计合理，就需要加强与磁导率与体电导率的联系。如在三角形敷设中，要了解护套材料给感应电压带来的影响，就需要在确保仿真条件相同的情况做好求解。通过研究发现，感应电压与护套材料有一定关系，在护套材料的磁导率增大以后，感应电压也会增加，总的来说两者呈现此增彼涨的关系。所以，在实际利用中应加强与护套材料的联系[4]。如果发现护套材料不合格应立即更换，避免由此产生感应电压，影响电缆安全运行。

（三）不同半导电屏蔽层给感应电压带来的影响

在研究半导电屏蔽层与感应电压之间的关系时，其仿真步骤基本与前文相同，在实际利用中应加强与三角形敷设的联系，并为其赋予一定的仿真条件，且控制好感应电压实际情况，在保证仿真条件相同时再做仿真求解。随着导电线芯的应用，可以全面了解导电线芯与半导电屏蔽层的实际状况。通过研究发现，在护套感应电压与仿真结果处于相同状态时，半导电屏蔽层给感应电压所带来的影响可以忽略不计。只有在护套感应电压出现明显变化时，才可以将这些内容纳入到计算中，以便更好的完成计算工作。

（四）铠装层给感应电压带来的影响

之所以将有限元法应用仿真分析中，主要是由于铠装层对感应电压也有一定影响，尤其是对高压单芯电缆金属护套感应电压的影响较大，为保证设计合理，就需要在护套与铠装层设置一定的绝缘衬层，它的厚度应控制在1mm左右。在实际利用仿真分析的过程中，按照上述步骤设计即可。如在三角形敷设中，铠装层材料经常因磁导率的不同而出现不同，这时就需要联系实际情况做好仿真求解设计。通过研究发现，在电缆护套中存在一定的空隙，由此可见，该部分的磁场相对较弱，这种情况的产生于铠装层有相对较大的磁导率有关，且具有良好的磁场屏蔽作用。通常情况下，在相对磁导率升高时，各个电缆金属的护套感应电压也会逐渐提升，但在铠装层磁导率升到100以后，护套感应电压则不会继续提升，多处于6.1mv左右[5]。可见，铠装层对感应电压的影响并不是无限上升的，而是在达到一定程度以后则不会继续变化。

总的来说，在三角形敷设中，无论电缆水平如何对感应电压所带来的影响都处于相同状态；护套材料与电导率之间的关系要从两方面看，一方面是随着体积电导率的提升，护套感应电压呈现降低状态，在护套磁导率增加的情况下，感应电压也则升高；屏蔽材料对感应电压的影响是随着体积电导率的提升而升高的；铠装层对金属护套感应电压的影响是相对较大的，在金属铠装层提升的情况下，电缆金属护套感应电压也在提升。

结束语：

通过以上研究得知，电缆金属护套感应电压受多种因素的影响，其中影响最大的敷设方式、护套材料、屏蔽材料以及铠装层，因此，本文分析了这些影响因素给感应电压带来的影响，希望能为相关人士带来有效参考，做好电缆金属护套感应电压仿真分析。

参考文献

[1]田金虎,刘渝根,赵俊光,田大鹏,尚龙龙.多回同相多根并联高压电力电缆电流分布及金属护套环流计算[J].高电压技术,2014,01:153-159.

[2]段佳冰,尹成群,吕安强,李永倩.基于IEC60287和有限元法的高压海底电缆温度场分析方法[J].高压电器,2014,01:1-6.

[3]刘骥,李秀婧,高欢,郭宏.基于有限元分析的水下脐带电缆电场与温度场特性[J].高电压技术,2014,06:1658-1665.

[4]刘渝根,尚龙龙,田金虎,田资,成文杰.220kV四回高压电缆同相2根并联敷设方式优化研究[J].高压电器,2015,12:25-32+37.

[5]彭超,张宇娇,秦威南.基于有限体积法的超高压电缆接头绝缘性能研究[J].高电压技术,2014,12:3695-3701.