[发明专利]高压大截面品型垂直蛇形敷设电缆短路电动力与金具机械应力有限元分析与计算方法

权利要求书

1.高压大截面品型垂直蛇形敷设电缆短路电动力与金具机械应力有限元分析与计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立高压大截面品型垂直蛇形敷设电缆缆体和周围磁场分布区域的有限元模型，设置电缆各层材料参数、添加三相短路电流激励、进行网格的划分以及载荷的施加，利用该模型计算出三相短路电流下缆体和周围区域的磁场分布以及短路电动力，具体方法如下：

(1)确定电缆敷设类型、排列方式以及缆体结构，选定合适的电磁仿真软件，如AnsysMaxwell/Comsol等同类计算机辅助设计软件，创建三维几何工程项目、选择瞬态分析类型，建立电缆的蛇形曲线函数，使用沿曲线扫描和布尔操作两种方法，建立蛇形敷设电缆的五层结构，通过模型的移动、旋转以及阵列，建立三相品型电缆；

(2)通过材料手册的查询，确定电缆的电导率、电磁率材料参数，选定合适的铜材料和铝材料作为电缆的铜导体和铝护套材料，定义电缆的绝缘层、缓冲层以及外护套的材料；

(3)根据电缆三相短路的特点，由三相短路电流公式结合高压电缆的电压等级和短路电流峰值，确定三相短路电流的周期分量最大值、角频率、初相角、衰减时间常数；在铜导体上施加三相短路电流激励，并定义电流的初始方向；

(4)电缆具有多层结构，铜导体是磁场产生和受力的关键部分，应对铜导体进行网格加密处理；计算域的体积越大，电缆导体周围的磁场分布越多，电动力计算越精确，应对计算域采用合适的网格保证计算速度和精度；

(5)对品型排列的电缆的三个导体添加“力”参数用于计算电动力；设置瞬态分析的计算时长，每一步的计算时间；对计算的结果进行后处理，获得铜导体周围的磁场分布情况，短路电动力数值；选定计算域，绘制导体周围的磁场分布矢量图；在电缆的端面构建平面，在平面上绘制导体周围的磁场强度云图；将电动力数据导出，进行数据处理，绘制电动力曲线；

步骤2：建立结构场分析模型，将短路电动力峰值作为激励源导入稳态结构模块，进行结构稳态动力学分析，获得金具(夹具、螺栓和支架)的应力、变形，具体方法如下：

(1)选定三维建模软件，如Solidworks/Creo/DesignModeler等，建立支架、夹具以及螺栓模型；在原有的电磁有限元模型基础上，添加电缆夹具和支架模型，使缆体与夹具接触；设置电缆各层和金具的材料参数，包括杨氏模量、密度、泊松比以及屈服强度；

(2)进行网格的划分，对铜导体的网格加密，保证电动力的准确导入；对夹具以及螺栓的网格进行加密，保证应力的计算准确；设置缆体和金具之间的接触类型为绑定，对模型施加约束条件并考虑重力场的影响；计算得到夹具上盖板和下底座以及连接螺栓上应力，支架的变形和应力；

步骤3：通过计算得到的电缆电动力和金具机械应力结果，分析电缆短路电动力以及金具的机械应力特点，给出敷设建议，具体方法如下：

(1)分析品型电缆短路电动力特征；通过绘制出A、B、C三相短路电动力曲线，找出A、B、C三相电动力的变化周期、变化形状以及峰值大小，比较A、B、C三相电动力数值的大小关系，找出三相短路电动力的最大值以及最大值对应的时刻；

(2)分析夹具和螺栓应力；通过观察夹具的应力应变云图，比较夹具上盖板和下盖板的应力大小，找出应力较大的部位，分析夹具应力特点；将夹具的模型隐藏，显示夹具内部螺栓的应力云图，找出螺栓上应力最大处，分析螺栓应力分布特点；根据夹具盖板和螺栓设置的材料屈服强度值，判断夹具和螺栓是否超过屈服强度或还有多大程度达到屈服，给出夹具和螺栓材料屈服带来的危害。

(3)分析支架变形和应力；通过观察支架的变形和应力云图，找出支架最大变形值以及出现的位置，找出应力最大值以及出现的位置；判断支架的变形对成缆体的稳定性的影响，找出支架的变形扩展趋势，判断支架的应力是否达到屈服以及支架屈服对整个电缆固定系统的危害；

(4)根据以上的有限元分析和工程实际要求，提出敷设建议；根据计算得到的电缆电动力的大小、金具的机械应力，确定电缆的敷设方式、跨距，选择具有合适结构设计和材料的金具，保证电缆的安全运行。

2.根据权利要求1所述高压大截面品型垂直蛇形敷设电缆短路电动力与金具机械应力有限元分析与计算方法，其特征在于，建立电缆有限元模型，施加三相短路电流和载荷，计算电缆在磁场中的受力。

3.根据权利要求2所述高压大截面品型垂直蛇形敷设电缆短路电动力与金具机械应力有限元分析与计算方法，其特征在于，将短路电动力通过顺序耦合的方式导入结构场中，在电磁模型基础上添加夹具和支架，计算夹具、支架以及螺栓在电动力载荷下的机械应力。