高压电缆中间接头的有限元优化设计方法技术

本发明专利技术涉及高压电缆中间接头的有限元优化设计方法，包括以下步骤：S1）根据高压电缆中间接头二维轴对称整体结构，设计半导电应力锥部件的整体结构形状尺寸；S2）建立应力锥有限元二维计算模型；S3）对电缆中间接头进行有限元计算；S4）在电缆绝缘层上临近屏蔽层处取一节点以锥面曲线作为映射路径，得出该路径上电场强度与S的关系图表；S4）观察电场强度与S的关系图表，若电场强度E曲线波形是电场在金属屏蔽层切口处附近最大,并随着应力锥弧度距离的增大,电场值逐渐衰减,到一定远处后,电场非常微小，则得出高压电缆中间接头的最终结构模型；否则执行步骤S5）；S5）重新修正有限元计算模型参数，返回步骤S2）。

【技术实现步骤摘要】
高压电缆中间接头的有限元优化设计方法
本专利技术涉及高压电缆中间接头
，尤其是涉及一种高压电缆中间接头的有限元优化设计方法。
技术介绍
高压电缆中间接头是电力电缆线路的薄弱点，在电力电缆发生故障的统计中，电缆附件的故障率大约为70％。在电缆的终端剥去一定尺寸的外护层和屏蔽层后，改变了电缆原有的电场分布，产生了电场畸变，在屏蔽切断处电力线较为集中，由高压电缆中间接头的场强计算公式易知，最大电场发生在屏蔽截止点，为了改善电缆中间接头的电场分布，采用了多种减少电场畸变的电缆中间接头处理措施:①在电缆绝缘层上施加新的绝缘层,可以增大等效绝缘半径；②在电缆屏蔽层边缘的绝缘表面涂以半导电漆，可以减少沿表面的阻抗和屏蔽层附近的电位梯度；③在屏蔽层附近加装屏蔽接地环，增大曲率半径；④釆用应力锥，强迫电场均匀分布等。目前国内外常用的是第④种方法，主要以室温液体硅橡胶和固体硅橡胶材料制作的应力管和应力锥。随着中国经济的持续高速发展，电力需求也成倍增加，形成了大容量集中性供电负荷中心，导致超高压XLPE电缆系统的需求也迅速增加。目前中国北京、上海、广州等大城市已经在运行220kV电缆线路，而500kv电缆主要还是作为水电站、抽水蓄能电站的高压端引出线使用，随着城市电网负荷的不断增加，北京、上海等地也正在建设500kV电缆系统,中国已经具备生产包括500kV等级的超高压电缆的能力,但是目前能提供220kV及以上等级电缆附件的厂家不多,500kV电缆附件还处于攻关开发阶段。国网电科院电缆所正在推动500kV电缆本体和220kV电缆附件的国产化。由于超高压电缆挤包绝缘的绝缘厚度减薄趋势的要求，将会使电缆本体绝缘的工作场强提高，如何评价在高场强下运行的附件绝缘性能非常重要。然而，实际操作上由机床成形的锥面对数曲线存在加工上的困难,常用的方法是用一根或多根直线来进行替代理想的锥面曲线，或采用折线和圆弧样条曲线近似逼近理想锥面曲线，均无法了解应力锥内部电场的分布情况，,也就无法设计应力锥端部的形状。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种高压电缆中间接头的有限元优化设计方法。通过运用有限元方法进行分析，根据一些关键点的设计控制值,通过调整应力锥曲线形状和应力锥长度来调整高压电缆中间接头内部电场分布,通过调整应力锥端部曲率改善其内部电场分布，从而很好地解决了解应力锥内部电场分布情况的难题，以克服现有技术的不足。本专利技术的有益效果如下：在电磁场分析中，有限元法是较先进的方法之一，在求解有界问题时是十分有效的，是一种数值计算方法，它分析电场的基本原理是将所处理的对象首先划分成有限个单元(含若干节点),再根据标量电势求解一定边界和初始条件下每个节点处的电势,继而进一步求解其他相关量,该法可直观地了解应力锥内部每个点的电场分布情况,通过调整应力锥曲线形状和其轴向长度来调整其内部电场分布,还可通过调整应力锥端曲率改善其内部电场分布。本专利技术基于有限元分析方法，采用折线和圆弧样条曲线近似模拟锥面曲线，建立电场有限元二维计算模型进行计算，根据已有的计算结果进行分析，不断重复调整不利电场分布的折线或曲线，重新修正并建立电场有限元二维计算模型进行计算，最终使计算后的电场分布结果沿锥面曲线达到理想的标准要求。通过实例，对高压电缆中间接头的电场数据进行反复地计算、分析和优化。经分析验证，该方法在电缆中间接头的电场计算和优化设计中是切实可行的，为高压电缆中间接头的设计提供了一种新的思路和方法。附图说明图1为本专利技术二维轴对称结构模型图。图2为本专利技术高压电缆中间接头有限元二维计算模型图。图3(a)为本专利技术高压电缆中间接头锥面曲线的电场强度局部矢量图。图3(b)为本专利技术高压电缆中间接头锥面曲线的电场强度局部云图。图4为本专利技术高压电缆中间接头E、EX(电场X分量)、EY(电场Y分量)值沿锥面曲线的变化图。图5为本专利技术有限元二维计算模型应力锥的局部视图。图6为本专利技术调整计算模型后的E、EX(电场X分量)、EY(电场Y分量)值沿锥面曲线的变化图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。电缆终端和电缆中间接头的属于轴对称结构，按照二维轴对称整体结构进行建模。高压线路中有工频工作场强和冲击耐压场强两类，电缆主绝缘设计时需同时考虑两类场强,中间接头的应力锥和反应力锥的设计只需要考虑绝缘的工频工作场强即可，两者表达式相同，式中字母含意也相同，它们同时也是决定电缆中间接头长度的主要因素之一，两者锥面均按使其表面的轴向场强为一常数(或小于一常数),电缆绝缘不分阶,且增绕绝缘相对介电常数等于电缆绝缘相对介电常数。按传统方法设计半导电应力锥部件的整体结构形状尺寸，主要有应力锥的增绕绝缘层的厚度Δt、应力锥轴向长度Lk,以及应力锥形状曲线方程，模型如图1所示。其中，ε1—电缆本体绝缘相对介电常数；rc—导体层外半径；R—本体绝缘外半径；U1—电缆承受电压，根据不同标准取设计电压UAC；Rn—增绕绝缘层外半径；εn——电缆增绕绝缘的相对介电常数；Et—切向场强；En—法向场强。根据图1，由于应力锥的锥面与电缆屏蔽层连接,电位为零，所以应力锥锥面是一个等位面，在应力锥锥面上任取一点F,锥面为等位面,故电力线与之正交。α为过F点的切线与电缆径向方向的交角，则切向场强和法向场强的关系为过F点的法向场强En仍可近似按圆柱形电场计算，对于两层分阶绝缘电缆则有其中由两式合并积分得令Et为一常数，使沿表面的切向电场强度为一常数,得锥面曲线对数曲线方程：由(1)(2)(3)式设计计算中间接头的形状尺寸，根据电场分布规律，得应力锥锥面模型为对数曲线方程(4),实际操作上由机床成形的锥面对数曲线存在加工上的困难,常用的方法是用一根或多根直线来进行替代理想的锥面曲线，或采用折线和圆弧样条曲线近似逼近理想锥面曲线，均无法了解应力锥内部电场的分布情况，,也就无法设计应力锥端部的形状。运用有限元的方法进行分析，根据一些关键点的设计控制值,通过调整应力锥曲线形状和应力锥长度来调整其内部电场分布,通过调整应力锥端部曲率改善其内部电场分布，很好地解决这个难题，逐步达到理想的标准要求。在实际的电磁场中，场是连续的，空间无限多个点的每一点都有确定的场量(即具有数学上所称的无穷维自由度)。而有限元法是将场域划分为有限个单元，用一个简单函数作为场变量模型(又称插值函数)，构成每个单元中场的试探解。有限元法可以将单元中任一点的待求量，用该单元边界与其他单元边界的交点(在有限元法中称为结点)上的场量值表示。因此，整个场的计算可归结为有限个结点上场量的计算，即将无穷维自由度间题转化为有限个自由度的问题。电缆终端和电缆中间接头的电场分布是一个轴对称场，电场分布满足麦克斯韦▽×E＝0、▽·D＝ρ方程，假定轴向及径向零电位边界定义在直径为终端圆柱直径数倍的圆柱底面或曲面上，由唯一性定理，模型区域内的导体外电场唯一确定,其电位分布满足泊松方程由于导体外没有自由电荷分布(即ρ＝0)，泊松方程简化为拉普拉斯方程即在求解域内求解用有限元方法求解的本文档来自技高网...

【技术保护点】
高压电缆中间接头的有限元优化设计方法：通过建立了有限元二维计算模型并进行仿真计算,从而得到了电缆中间接头应力锥锥面曲线的电场分布，其特征在于包括以下步骤：S1）根据高压电缆中间接头二维轴对称整体结构，设计半导电应力锥部件的整体结构形状尺寸，包括应力锥的增绕绝缘层的厚度、应力锥轴向长度,应力锥锥面形状曲线方程；S2）根据电场分布规律和相关标准，求得模型参数表，建立应力锥有限元二维计算模型，执行步骤S3）；S3）根据电缆中间接头模型，结合电缆中间接头的工作特性方程、满足的边界条件和具体结构参数，对电缆中间接头进行有限元计算，得到电缆中间接头锥面曲线的电场强度局部矢量图和电场强度局部云图；S4）在电缆绝缘层上临近屏蔽层处取一节点并定义为起点，以锥面曲线作为映射路径，沿该路径上不同节点距起始节点的路径长度为S,得出该路径上电场强度与S的关系图表；S4）观察电场强度与S的关系图表，若电场强度E曲线波形是电场在金属屏蔽层切口处附近最大,并随着应力锥弧度距离的增大,电场值逐渐衰减,到一定远处后,电场非常微小，则得出高压电缆中间接头的最终结构模型；否则执行步骤S5）；S5）根据电场强度与S的关系图表，调整应力集中点附近的折线、圆弧样条曲线的端点坐标，同时改变折线的斜率和圆弧样条曲线的曲率半径，重新修正有限元计算模型参数，返回步骤S2）。...

【技术特征摘要】
1.一种高压电缆中间接头的有限元优化设计方法：通过建立有限元二维计算模型并进行仿真计算，从而得到电缆中间接头应力锥锥面曲线的电场分布，其特征在于包括以下步骤：S1)根据高压电缆中间接头二维轴对称整体结构，设计半导电应力锥部件的整体结构形状尺寸，包括应力锥的增绕绝缘层的厚度Δt、应力锥轴向长度Lk，应力锥锥面形状曲线方程；S2)根据电场分布规律和相关标准，求得模型参数表，建立应力锥有限元二维计算模型，执行步骤S3)；S3)根据电缆中间接头模型，结合电缆中间接头的工作特性方程、满足的边界条件和具体结构参数，对电缆中间接头进行有限元计算，得到电缆中间接头锥面曲线的电场强度局...

【专利技术属性】
技术研发人员：周秀君，
申请(专利权)人：顺德职业技术学院，
类型：发明
国别省市：广东;44