[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

说明书

本发明公开了属于电缆电气故障仿真分析领域，特别涉及一种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；该方法建立了高压大截面品型垂直蛇形敷设电缆和金具有限元模型，基于电磁仿真原理计算出品型电缆在三相短路电流下的电磁场分布和短路电动力；通过耦合的方式，将电动力作为载荷导入结构场中，计算出金具的机械应力，分析金具应力大小和分布特点，为电缆的敷设、金具的设计或选型提供了指导；本发明通过对高压大截面品型垂直蛇形敷设电缆进行电磁‑结构耦合分析，解决了电缆短路电动力和金具机械应力计算难度大、计算方法不合理以及实验测量困难的问题，具有计算速度快、结果精确、资源消耗少以及实用性强的优点。

技术领域

本发明属于电缆电气故障仿真分析领域，特别涉及一种高压大戒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。

背景技术

随着有限元分析技术的发展，依靠不同的软件模块之间的耦合，可以将数据进行快速的顺序传递。高压电缆在三相短路电流下的电磁特性和金具在结构场中的力学特性涉及到多物理场的耦合计算，电磁场和结构场的电缆有限元模型尺寸保持一致，电动力是结构场计算的激励，在磁场分析软件中建立三相品型垂直蛇形敷设电缆的有限元模型，计算出电缆的电动力体密度，然后在结构场中利用计算出的电动力体密度作为载荷，通过顺序耦合的方法传递到稳态结构模块进行计算，可快速准确得到机械应力。

随着电力线缆的输送电压等级越来越高，输电容量也越来越大，大截面电缆的应用变得越来越广泛。电力系统的重大事故很多都由短路引起，三相短路电流比其他短路故障的电流大，因此在大多数情况下三相短路故障的破坏最大。当高压电缆发生三相短路时，短路电流的峰值可达到上百kA，三相导体间将产生巨大的电动力，造成电缆夹具和支架损坏，最终可能摧毁整条电缆。因此，为了保证电缆的安全运行，对超高压大截面电缆的金具短路电动力力学特性的研究具有极其重要的现实意义。

然而，由于超高压电缆的结构复杂、运行电压高、短路冲击电流巨大，且电缆价格昂贵，导致现场进行缆体电动力和金具应力的测量危险性高、成本高，而且有数据的提取困难以及测试结果误差大问题。

目前，国内外对电动力的研究主要集中在母线、输电导线、平行敷设电缆上，尚无针对品型蛇形敷设电缆电动力和金具机械应力的分析与计算的方法。当前计算电动力的方法主要是利用短路电动力公式计算出短路电动力数值，然后通过系数的修正，得到作用在金具上的电动力，并将电动力施加在金具上，求解其应力场。但是，该公式法只能计算短路电流峰值时刻电缆中间相的冲击电动力，没有考虑三相电缆之间的瞬态电动力变化趋势和规律，且只能通过手动的方式给金具施加电动力，误差较大。目前公式法主要适用于平行敷设的电缆，不适合品型敷设的电缆。

针对以上问题，本发明提出了一种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，能够快速实现品型垂直蛇形敷设电缆的有限元建模，提高品型电缆短路电动力计算精度，快速准确将电动力体密度导入结构分析中，准确的求出金具在短路电动力载荷下的机械应力，分析夹具和支架的应力和变形，为其结构设计、尺寸与材料选择提供依据。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种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，用于解决品型电缆有限元模型建立困难、电动力求解复杂的问题，提高电动力计算速度和精度，解决金具机械应力求解方法不合理、结果精度差的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种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，其特征是所述方法包括：

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：