一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法技术

本发明专利技术提出一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法包括以下步骤：获取中压电缆的截面结构特征和材料特性；建立所述中压电缆电磁特性和热特性的简化模型；在所述中压电缆电磁特性和热特性的简化模型基础上分别建立电磁特性和热特性三维分析模型；建立电缆连接端口等效电路模型作为所述电磁特性和热特性三维分析模型的激励源与负载；进行三维有限元分析，获取所述中压电缆电磁及热性能工作特性。本发明专利技术中压电缆工作特性的建模与分析方法，包括电磁特性与热特性模型建模与分析方法，考虑了中压电缆典型结构、电缆敷设工艺与敷设环境影响因素，适用于中压电缆船舶敷设条件下，电磁特性与热特性建模分析的有效流程和方法，步骤简捷，准确度较高。准确度较高。准确度较高。

【技术实现步骤摘要】
一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法


[0001]本专利技术涉及电缆工作特性分析
，尤其涉及一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法。

技术介绍

[0002]随着船用发电机容量以及船舶用电功率需求增加，特别是一些特种用途船舶所装备的大功率中压用电设备，使高于1kV的中压开始进入船舶电力系统和供配电装置领域，中压等级的交直流电缆和变频电缆逐步开始大量应用。
[0003]由于船舶舱室空间狭小，设备众多，为敷设美观、节省空间以及便于固定和维护，电缆通常靠近金属船体与舱壁成束敷设，且敷设密集。同时，基于高频开关器件的船舶大功率电源变换及负载设备的大量引用，相关设备的大容量、高频化与模块化设计必然产生较多开关频率、各次谐波及丰富的杂散干扰信号，这些信号，一方面会在设备互联电缆或电缆束中流经幅值较强的差、共模谐波电流，使电网的电磁环境更加复杂；另一方面会对外产生电磁场辐射发射，对敏感信号与控制电缆产生干扰和影响，也会对人员及设备的安全带来危害。因此，中压电缆较高的电压与功率等级带来的工作安全性及系统兼容性问题是影响船舶电力系统可靠运行的重要因素之一，主要包括中压电缆在典型工况下的电磁环境、电磁场发射特性、对敏感电缆的串扰特性、热稳定性等，而电缆及电缆束敷设的排布形式、间距和走向是决定其工作特性影响程度的关键。
[0004]目前，船舶中压电力系统尚处于发展应用阶段，并且中压电缆结构、敷设环境多样，电缆电磁场发射和串扰机理复杂、覆盖频率范围宽，精确的数学建模和表征困难。中压电缆工作特性、敷设优化相关的建模分析方法和资料还十分有限；简单的解析模型空间分辨率与准确度不佳，而考虑了中压电缆细致结构和敷设环境特征影响的全三维结构有限元仿真方法，模型复杂、计算量大、效率低，而很难快速、有效地模拟中压电缆各种典型工况特性，给出电缆敷设工艺的指导意见。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术提出了一种解决现有中压电缆模型复杂、计算量大和效率低下的船用中压电缆工作特性的建模与分析方法。
[0006]本专利技术提供了一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法，其特征在于，所述建模与分析方法包括以下步骤：
[0007]步骤1：获取中压电缆的截面结构特征和材料特性；
[0008]步骤2：建立所述中压电缆电磁特性和热特性的截面结构简化模型；
[0009]步骤3：在所述中压电缆电磁特性和热特性的截面结构简化模型基础上分别建立电磁特性和热特性三维分析模型；
[0010]步骤4：建立电缆连接端口等效电路模型作为所述电磁特性和热特性三维分析模型的激励源与负载；
[0011]步骤5：进行三维有限元分析，获取所述中压电缆电磁及热性能工作特性；
[0012]所述中压电缆包括由内至外依次包括导体、内半导电屏蔽、绝缘层、半导电带、外半导电屏蔽、镀锡铜丝编织金属屏蔽、绕包袋及外护套；
[0013]所述电磁特性的简化模型将所述导体和镀锡铜丝编织金属屏蔽之间的材料简化为同一材质的绝缘介质，其余结构层按实际结构进行建模；
[0014]所述热特性的简化模型将所述导体和外护套以外各层等效为热导率均一的传热层。
[0015]更进一步地，所述电磁特性的截面结构简化模型保持所述中压电缆电容参数不变；
[0016]所述电磁特性的截面结构简化模型中绝缘介质的等效相对介电常数表示为：
[0017][0018]其中，所述中压电缆的绝缘层的内径为r
in1
，外径为r
out1
，相对介电常数为ε
r1
；所述电磁特性的简化模型中绝缘介质的内径为r
in2
，外径为r
out2
，相对介电常数为ε
r2
。
[0019]更进一步地，所述热特性的截面结构简化模型保持所述导体到电缆外表面的总热阻不变；
[0020]所述热特性的截面结构简化模型中传热层的热导率表示为：
[0021][0022]其中，所述导体外第k层的内半径为r
kin
，外半径为r
kout
，热导率为K
k
；所述热特性的简化模型中传热层的内半径为r
in
，外半径为r
out
，热导率为K。更进一步地，所述截面结构特征包括电缆层数、各层尺寸、位置和结构信息。
[0023]更进一步地，所述材料特性包括各层材料的电导率、磁导率、介电常数和热导率。
[0024]更进一步地，在步骤3中，所述电磁特性三维分析模型包括电缆敷设路径、排布形式、支撑附件和周围金属结构。
[0025]更进一步地，在步骤3中，所述热特性三维分析模型包括所述中压电缆敷设路径、排布形式、支撑附件和周围传热影响结构。
[0026]本专利技术的优点在于：
[0027]本专利技术中的一种中压电缆工作特性的建模与分析方法，包括电磁特性与热特性模型建模与分析方法，考虑了中压电缆典型结构、电缆敷设工艺与敷设环境影响因素，是一种适用于中压电缆船舶敷设条件下，电磁特性与热特性建模分析的有效流程和方法，步骤简捷，准确度较高。
[0028]本专利技术中的一种中压电缆工作特性的建模与分析方法，对电缆截面结构进行了合理的等效与简化，在满足计算精度需求的前提下，数值分析计算规模减小一半以上，提升了分析效率。
[0029]本专利技术中的一种中压电缆工作特性的建模与分析方法，能够通过快速获取中压电
缆电磁场辐射特性、与敏感电缆间的串扰特性以及温升特性，评估中压电缆的工作性能与潜在应用风险，对辅助电缆选型、合理布置敷设路径、优化敷设工艺等方面具有重要意义。
附图说明
[0030]图1是本专利技术实施例提供的一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法流程示意图；
[0031]图2是本专利技术实施例提供的一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法中中压电缆结构示意图；
[0032]图3是本专利技术实施例提供的一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法中中压电缆电磁特性的简化示意图；
[0033]图4是本专利技术实施例提供的一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法中中压电缆热特性的简化示意图；
[0034]图5是本专利技术实施例提供的一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法中依据电磁特性建模的中压电缆的截面示意图；
[0035]图6是本专利技术实施例提供的一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法中依据电磁特性建模的敏感电缆的截面示意图；
[0036]图7是本专利技术实施例提供的一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法中依据电磁特性建模的中压电缆和敏感电缆路径示意图；
[0037]图8是本专利技术实施例提供的一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法中依据热特性建模的中压电缆布置示意图；
[0038]图9是本专利技术实施例提供的一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法中中压电缆与敏感电缆间串扰分析连接端口的等效电路示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船用中压电缆工作特性的建模与分析方法，其特征在于，所述建模与分析方法包括以下步骤：步骤1：获取中压电缆的截面结构特征和材料特性；步骤2：建立所述中压电缆电磁特性和热特性的截面结构简化模型；步骤3：在所述中压电缆电磁特性和热特性的截面结构简化模型基础上分别建立电磁特性和热特性三维分析模型；步骤4：建立电缆连接端口等效电路模型作为所述电磁特性和热特性三维分析模型的激励源与负载；步骤5：进行三维有限元分析，获取所述中压电缆电磁及热性能工作特性；所述中压电缆包括由内至外依次包括导体、内半导电屏蔽、绝缘层、半导电带、外半导电屏蔽、镀锡铜丝编织金属屏蔽、绕包袋及外护套；所述电磁特性的简化模型将所述导体和镀锡铜丝编织金属屏蔽之间的材料简化为同一材质的绝缘介质，其余结构层按实际结构进行建模；所述热特性的简化模型将所述导体和外护套以外各层等效为热导率均一的传热层。2.根据权利要求1所述建模与分析方法，其特征在于，所述电磁特性的截面结构简化模型保持所述中压电缆电容参数不变；所述电磁特性的截面结构简化模型中绝缘介质的等效相对介电常数表示为：其中，所述中压电缆的绝缘层的内径为r
in1
，外径为r
out1
，相对介电常数为ε
r1
；所述电磁特性的简化模...

【专利技术属性】
技术研发人员：张正卿，王云帆，吴浩伟，李锐，蔡凯，吴钫，帅骁睿，张鹏程，廖于翔，李鹏，汪文涛，蔡久青，孔祥伟，金翔，李小谦，邓磊，姜波，李可维，张炜龙，邢贺鹏，金惠峰，周樑，陈涛，罗伟，魏华，
申请(专利权)人：武汉第二船舶设计研究所中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：