本發(fā)明涉及刷子
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及基于有限元的電纜載流量計算方法。
背景技術(shù)：
：電纜載流量是指一條電纜線路在輸送電能時所通過的電流量，在熱穩(wěn)定條件下，當(dāng)電纜導(dǎo)體達(dá)到長期允許工作溫度時的電纜載流量稱為電纜長期允許載流量?，F(xiàn)有技術(shù)中，計算主流是采用國際電工委員會(iec)計算標(biāo)準(zhǔn)iec60287，經(jīng)過多年修正補(bǔ)充，計算結(jié)果已趨于完善，但仍存在一定不足，主要在于適應(yīng)電纜多樣化使用方面，雖然根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的公式可以很方便計算載流量，但是部分算法過于繁瑣，計算結(jié)果也偏于保守。另外其僅給出了單回路電纜臨近效應(yīng)計算公式，實際常常以多個回路以集群方式敷設(shè)。對于排管、隧道燈敷設(shè)形式，標(biāo)準(zhǔn)中給定的是根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)的計算公式，實際中存在自然對流、熱輻射和熱傳導(dǎo)等導(dǎo)熱方式的耦合，簡單的經(jīng)驗公式也會存在一定誤差。有限元法作為一種數(shù)值計算方法，在給定電纜敷設(shè)、排列條件和負(fù)荷條件下對整個溫度場域進(jìn)行分析，大地和電纜表面溫度都是待求量，更加接近實際邊界條件，對于分析復(fù)雜電纜系統(tǒng)有更大的靈活性。且可以形成溫度場分布，直觀地觀察分析電纜幾周邊環(huán)境溫度場分布，形象的反應(yīng)電纜載流量的狀態(tài)，為相關(guān)設(shè)備的設(shè)計和研究提供基礎(chǔ)。技術(shù)實現(xiàn)要素：有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供基于有限元的電纜載流量計算方法，實現(xiàn)的目的之一是能夠更加精確和形象的反應(yīng)電纜載流量的狀態(tài)，為相關(guān)設(shè)備的設(shè)計和研究提供基礎(chǔ)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了基于有限元的電纜載流量計算方法，采用有限元仿真軟件comsolmultiphysics進(jìn)行建模，通過計算仿真電纜熱場分布，獲得相應(yīng)截面電纜在需求環(huán)境情況下的載流量，步驟如下：a.設(shè)置和/或選取所需的仿真模型模塊；b.根據(jù)電纜的實際尺寸建立仿真模型；c.設(shè)置所述電纜以及所述電纜所處環(huán)境的求解域；d.設(shè)置邊界條件；e.網(wǎng)格劃分；f.求解設(shè)置；g.求解計算導(dǎo)體的溫度是否達(dá)到持續(xù)工作時最高允許溫度；h.若步驟g中得出的結(jié)論為是，則仿真結(jié)束，達(dá)到最高允許溫度時的電流即為電纜載流量；若步驟g中得出的結(jié)論為否，則改變通過導(dǎo)體的電流值后，重復(fù)循環(huán)執(zhí)行步驟e至步驟g，直到得出的結(jié)論為是。優(yōu)選的，所述步驟a中，所述設(shè)置和/或選取所需的仿真模型模塊是指，采用所述有限元仿真軟件comsolmultiphysics中的2d維度模型，采用“熱傳模式”中的“廣義熱傳”模式。優(yōu)選的，所述步驟b中，所述根據(jù)電纜的實際尺寸建立仿真模型是指，根據(jù)電纜敷設(shè)相對間距位置、電纜尺寸大小、環(huán)境情況，按實際電纜尺寸建立電纜平面模型和電纜外界環(huán)境；對所述電纜的中間導(dǎo)體根據(jù)實際電纜尺寸建模，對所述電纜的外部僅考慮絕緣層、金屬護(hù)套及外護(hù)套。優(yōu)選的，所述絕緣層可根據(jù)需計算電纜的實際使用材料確定，如采用xlpe交聯(lián)聚乙烯材料制成，所述金屬護(hù)套及外護(hù)套可根據(jù)需計算電纜的實際使用材料確定，如采用pe聚乙烯材料制成。優(yōu)選的，所述步驟c中，設(shè)置所述電纜以及所述電纜所處環(huán)境的求解域是指，所述仿真模型主要由導(dǎo)體、絕緣層、金屬護(hù)套、外護(hù)套、外界環(huán)境組成，熱傳計算采用如下理論計算方程式：其中：k：熱傳系數(shù)(w/m·k)；t：溫度(℃)；q：熱源(w/m3)；qs：生長/吸收系數(shù)(w/(m3·k))。優(yōu)選的，所述熱傳系數(shù)k；所述生長/吸收系數(shù)qs設(shè)置為0，所述熱源通過電流產(chǎn)生，通過以下公式進(jìn)行計算：其中：i：電流(a)；r：電纜導(dǎo)體電阻(℃)；q1：電流產(chǎn)生的熱源(w/m3)；qs：生長/吸收系數(shù)(w/(m3·k))；s：導(dǎo)體截面積(m2)。優(yōu)選的，所述步驟d中，所述設(shè)置邊界條件是指，將環(huán)境邊界條件設(shè)置為溫度，根據(jù)載流量計算要求設(shè)置相應(yīng)的溫度值；對于電纜各層邊界需勾選所述有限元仿真軟件comsolmultiphysics中“內(nèi)部邊界”后進(jìn)行設(shè)置；電纜除外護(hù)套之外的內(nèi)部各層間邊界條件均選為連續(xù)，溫度通過材料間熱傳遞傳送；所述電纜的外護(hù)套邊界條件根據(jù)環(huán)境情況進(jìn)行設(shè)置，并采用如下公式計算：其中：nu、nd分別表示邊界兩側(cè)法向向量，ku、kd邊界兩側(cè)熱傳系數(shù)，tu、td邊界兩側(cè)溫度。優(yōu)選的，對于空氣接觸的所述邊界均設(shè)置為熱源/熱沉，載入所述有限元仿真軟件comsolmultiphysics的材料數(shù)據(jù)庫中的系數(shù)“nat.verticalwall,l＝height”，使用其相應(yīng)值，等效為自然對流效果，外部溫度根據(jù)計算條件一般設(shè)置為空氣40℃。優(yōu)選的，所述步驟f中，所述求解設(shè)置是指，進(jìn)行求解器參數(shù)設(shè)置，當(dāng)載流量計算根據(jù)電纜持續(xù)工作允許溫度進(jìn)行計算時，采用穩(wěn)態(tài)求解器，選用“直接(umfpack)”線性系統(tǒng)求解器，設(shè)置非線性相對公車為1.0e06，最大迭代數(shù)為25。本發(fā)明的原理在于，電纜載流量計算方法基于對電纜導(dǎo)體發(fā)熱溫度進(jìn)行研究，根據(jù)《gb50217-2007電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》常用電力電纜導(dǎo)體的最高允許溫度如下：常用電力電纜導(dǎo)體的最高允許溫度電纜載流量需滿足持續(xù)工作條件下導(dǎo)體最高溫度不超過相應(yīng)值，通過改變流經(jīng)導(dǎo)體電流值，獲取電纜溫度場分布，當(dāng)導(dǎo)體溫度達(dá)到最高允許溫度時電流即為電纜載流量。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用有限元方法，有限元法作為一種數(shù)值計算方法，在給定電纜敷設(shè)、排列條件和負(fù)荷條件下對整個溫度場域進(jìn)行分析，大地和電纜表面溫度都是待求量，更加接近實際邊界條件，對于分析復(fù)雜電纜系統(tǒng)有更大的靈活性。且可以形成溫度場分布，直觀地觀察分析電纜幾周邊環(huán)境溫度場分布，形象的反應(yīng)電纜載流量的狀態(tài)，為相關(guān)設(shè)備的設(shè)計和研究提供基礎(chǔ)。另外模型建立后由計算機(jī)完成復(fù)雜計算，提高效率。以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。附圖說明圖1示出的是本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2示出的是本發(fā)明一實施例網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格的狀態(tài)示意圖。圖3示出的是本發(fā)明一實施例的溫度分布表面圖。圖4示出的是本發(fā)明一實施例的溫度分布等位圖。具體實施方式實施例以交聯(lián)聚乙烯電纜為例，其載流量需滿足持續(xù)工作條件下導(dǎo)體最高溫度不大于90℃，通過建立熱傳模型設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，獲取電纜溫度場分布，提高導(dǎo)體中電流，導(dǎo)體溫度達(dá)到90℃時電流即為電纜載流量。為便于對比仿真結(jié)果，根據(jù)某廠家產(chǎn)品手冊進(jìn)行仿真設(shè)計，并與之手冊上相應(yīng)條件的載流量廠家提供值進(jìn)行對比。仿真電纜參數(shù)如下：載流量需計算的敷設(shè)條件如下：敷設(shè)環(huán)境空氣40℃電纜敷設(shè)形式水平敷設(shè)，間距250mm1.選用2d的廣義熱傳模塊，根據(jù)電纜實際尺寸及敷設(shè)情況，進(jìn)行幾何建模，如下圖，外界矩形框模擬空氣環(huán)境。2.求解域設(shè)置因材料庫中存在本例使用材料，故直接從材料庫中選擇，絕緣及外護(hù)套材料接近，性能類似，可考慮參數(shù)相同?？諝獬跏紲囟仍O(shè)置為40℃，其余可設(shè)置為25℃。對于中間銅導(dǎo)體，需設(shè)置熱源q值，如下圖設(shè)置為q1，q1在全局表達(dá)式中設(shè)置為q1＝i^2*r/(3.14*r1^2)。其中i為通過導(dǎo)體電流，r導(dǎo)體電阻，r1為導(dǎo)體半徑，相應(yīng)值可在常數(shù)中進(jìn)行設(shè)置，便于修改。3邊界條件設(shè)置勾選邊界條件中“內(nèi)部邊界”，空氣設(shè)置為“溫度”，值為90℃；外護(hù)套邊界設(shè)置為“熱源/熱沉”，載入材料數(shù)據(jù)庫中的系數(shù)“nat.verticalwall,l＝height”等效自然對流情況，外部溫度設(shè)置為90度；其余邊界設(shè)置為90℃。4網(wǎng)格劃分該計算方法對網(wǎng)格沒有特殊細(xì)化要求，可按默認(rèn)初始化進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖2所示，計算溫度場分布一般不需要特別細(xì)化的網(wǎng)格劃分，采用默認(rèn)值初始化網(wǎng)格即可滿足要求，也可根據(jù)需求細(xì)化網(wǎng)格劃分。5.求解器設(shè)置設(shè)置穩(wěn)態(tài)求解器，并采用“直接(umfpack)”系統(tǒng)求解器。6.求解計算，獲得溫度分布，通過改變電流值，當(dāng)電流值為1452a時，獲得如下溫度分布，穩(wěn)態(tài)時導(dǎo)體溫度達(dá)到363.154k即90℃。因此可以認(rèn)為1452a為該種電纜在此種敷設(shè)條件下的載流量，如圖3和圖4使除的溫度分布表面圖和溫度分布等位圖。產(chǎn)品手冊中，此種情況下該電纜載流量為1487a，數(shù)值十分接近。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本
技術(shù)領(lǐng)域：
中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁12