主题演讲视频:通过仿真优化电缆系统

2019年 1月 28日

电缆为高空飞机、地下矿井和海上风电场提供电力。根据使用情况,电缆的形状、尺寸和环境可能有很大不同——所有这些因素都会影响其性能。Nexans 公司的 Adrien Charmetant 在 COMSOL 用户年会 2018 洛桑站的主题演讲中解释了如何使用多物理场建模来优化电缆设计。您可以在下面看到他演讲的摘要和视频。

Adrien Charmetant 讨论利用多物理场建模改进电缆设计

在全球范围内提供电缆解决方案

Nexans 是全球电缆解决方案供应商,致力于为数百万人传输电力和信息。该公司生产的电缆和配件用于水电大坝、矿山、海上风电场、数据中心、城市摩天大楼以及交通运输。Nexans 数值仿真部门负责人 Adrien Charmetant 说,特定运输方式的电缆长度取决于平均乘客量——每位乘客约 1 公里(km)。例如,汽车使用约 5 公里的电缆,而游轮使用约 5000 公里的电缆。

在为这些用例以及其他用例设计电缆时,工程技术人员必须考虑多个因素。例如,Charmetant 提到电缆的电力传输不是一种固有属性,而是取决于环境。因此,如果你在空中安装一根电缆,它的传输功率可能是地下电缆的两倍。

设计电缆时必须考虑多种物理现象,包括:

  1. 传热,原因是,设计电缆时考虑了最高工作温度
  2. 电磁,特别是焦耳热
  3. CFD,原因是,对流(自然和强制)是主要的冷却现象

多物理场仿真对电缆设计的好处

为了解释电缆的耦合性能,Charmetant 和他的团队使用仿真“作为对标准的补充”。他指出,COMSOL Multiphysics® 软件帮助他们用更少的近似解决复杂的物理问题。“它可以缩短产品上市时间,降低新电缆和新配件的开发成本,”Charmetant 说。此外,建模可实现成本优化和更安全的电缆安装,并有助于防止过热。其他好处还包括多物理场仿真的多功能性,并且能够通过仿真 App 将复杂的设计方法带给更广泛的受众。

Charmetant 接着讨论了 Nexans 使用建模来改进电缆及其配件开发过程的两种方式:简化这些设备设计的虚拟样机技术,以及有助于使电缆安装更具成本效益的动态分析。

电缆和配件的虚拟样机技术

通过虚拟样机技术,Nexans 公司能够缩短研发项目的上市时间。举例来说,Charmetant 分享了他的团队如何使用仿真来设计标准的海底电缆插头。为了确保最高工作温度符合材料的寿命,他们解决了强耦合(和非线性)热磁问题。由此产生的仿真使得团队能够将温度分布可视化,从而帮助他们发现潜在的过热问题。通过在设计过程的早期发现这个问题,工程技术人员无需创建一个“制造和测试成本高昂”的原型,而是直接进入重新设计阶段。

Adrien Charmetant 发表关于电缆系统设计主题演讲的照片。
视频中:Adrien Charmetant 讨论了在海底电缆插头设计中使用仿真来检测过热问题。

Charmetant 讨论的另一个例子是使用三个电缆托架安装电缆的影响。通过考虑损耗以及对流和辐射传热,以确保电缆能够正常运行并达到预期寿命。在计算了托盘的相互加热之后,Charmetant 注意到最低的托盘使得空气垂直运动的同时也升高了空气的温度。这些现象的最终结果降低了较高电缆托盘的温度,这是工程技术人员们没有预料到的。

动态电缆评级方法

Nexans 还使用仿真进行动态分析,这有助于提高电缆安装的成本效益。这个想法是从电力负载随时间变化的事实中获益,在某些情况下,热惯性有助于过滤这些负载。对于每次负载变化,变化缓慢且惯性较低的电缆会达到稳定的温度,变化快且热惯性高的电缆也是如此。然而,对于介于这两个极端之间的电缆,负载可能会发生变化,使得温度永远不会达到稳定状态。Charmetant 说,在这些情况下,动态(或瞬态)分析可能会有所帮助。

Charmetant 分享了一个真实的火车电机电缆示例,他提到,与其他计算温度的方法相比,动态电缆评级方法有多个优点,即 EN 标准和稳态仿真。动态分析从热惯性中获益更多。因此,电缆的尺寸、重量和成本都“大幅降低”。

Adrien Charmetant 在 COMSOL 用户年会 2018 上发表主题演讲的照片。
视频中:Adrien Charmetant 讨论了在 COMSOL Multiphysics 中使用动态电缆评级方法的好处。

Nexans 使用仿真来改进电缆和电缆配件的开发和安装过程,这有助于节省时间和金钱。要了解有关如何使用多物理场建模的更多信息,请观看本文顶部的主题演讲视频


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