COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程

Brianne Costa 2017年 12月 29日

想要详细了解电缆的建模流程吗?我们为您精心准备了“电缆教程系列”,它包含六个教学模型,主要介绍了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件及其附加的“AC/DC模块”对工业级电缆进行建模,并阐释了电磁现象建模的入门原理。文中的数值模型基于标准的电缆设计,并通过了实验数据的验证。现在让我们一起踏上海底电缆建模的学习之旅吧。

第 1 节:电缆建模的基本要点和基础原理导论

一个良好的切入点对于学习新知识来说非常重要。所以第 1 节向您展示了教学模型——三芯铅包交联聚乙烯(XLPE)高压交流(HVAC)海底电缆。它也详细介绍了其他五节的内容。

Submarine cable cross section photo COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程
与本系列的仿真电缆类似的海底电缆。图片由 Z22 提供。在 CC BY-SA 3.0 许可下使用,通过维基共享资源分享。

如果您是电磁学或仿真领域的初学者,将会从电磁学和数值建模的基础知识导论中受益。如果对这些技巧轻车熟路,那么不妨跳过。这节初级教程涵盖了以下主题:

  • 绘制几何图形
  • 添加材料属性
  • 创建选择
  • 对模型剖分网格
Submarine cable cross section COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程
COMSOL mesh of a lead sheathed XLPE HVAC submarine cable  COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程

典型的三芯铅包交联聚乙烯 HVAC 海底电缆模型的横截面(左)和网格(右)。我们对几何模型进行了参数化处理,不仅方便修改,而且可以轻松研究任何具有相同基本结构的电缆。

第 2 节:电容效应

第二节教程侧重于模拟电缆的电容特性,并验证一个重要假设:解析方法足以精确描述电容和充电效应。此方法适用于所有后续教程。

虽然此教程主要面向初学者,但是证明了材料属性和电缆长度的重要性,所以本节的结果为其他章节提供了支持。电缆模型横截面的材料属性差距极大,所以可以将 XLPE 视为完美的绝缘体,将铅和铜材料视为理想的导体。这些结果与解析近似值基本一致。

electric potential distribution submarine cable model COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程
simulation results cable displacement current density norm COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程

左:单点接合电缆 10 km 之后的电势分布(相位 φ = 0)。右:绝缘体(主要是 XLPE)中的面内位移电流密度模。

就电缆长度而言,解析近似值足以准确描述 10 km 的电缆。即使对于最严苛的工况而言(即采用了单点接合且所有电压感应效应同相),也仍然适用。

第 3 节:接合电容

上一节教程表明,忽略不同相位之间的电容耦合,转而分析一个单独的相是合理的。第 3 节则建立在此基础上,这就将模型简化为一个轴对称问题。为了完整地表示 10 km 的电缆,我们按不同比例缩小了模型的二维轴对称几何。

2D axisymmetric cable geometry in COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程
COMSOL simulation plot of charging current through lead sheath COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程

左图:二维轴对称几何图形表示由三个接合段组成的单独相,横向和纵向采用不同比例。右图:电缆中累积的充电电流的模(交联)。

泄漏到屏蔽中的充电电流不断沿电缆累积,在接地点或交叉点处达到最大值。“接合电容”教程分析了不同接合类型的电流累积量以及相应的损耗。结果如下:

接合类型 接地点/交点处的累积充电电流总量 对应的每屏蔽损耗
单点接合 55 A 1.5 kW
实体接合 28 A 0.38 kW
交联 10.7 A 85 W

第 4 节:感应效应

前两个教程的结果表明,电缆的电感部分和电容部分之间仅存在弱耦合。第四个教程建立这一基础上。由面内位移和涡流造成的较少损耗证明了,使用仅包含面外电流的二维感应模型来近似计算电缆是合理的。

 

动画显示了采用实体接合的电缆横截面的瞬时磁通密度模,其中包含铠装扭转。

 

动画显示了采用实体接合的电缆的铠装和屏蔽中的感应电流密度,其中包含铠装扭转。

此模型主要分析了导线扭转对于相导线和铠装的重要性,以及相应的损耗。例如对电缆施加铠装扭转后,铠装电流被抑制,总损耗约减少了 11%。

除此之外,我们还演示了两种不同的中心导线建模方法。第一个示例假设中心导线由实心铜构成,引起了典型的集肤和邻近效应。第二个示例展示了完全绞合的利兹线法,产生了均匀的电流分布。

根据符合官方国际标准的真实产品数据表,我们对本教程的仿真结果进行了验证。二者相当一致,尤其在电感数据方面。

第 5 节:接合感应

第 5 个教程的目标是进一步检查第 3 节(和第 4 节)提出的不同接合类型:单点、实体和交联。(交联对于陆地电缆系统尤其重要。)与第 3 节相反的是,本节重点分析接合感应。

您可以将三个单独的磁场物理场接口耦合到一个电路中,从而分别分析三段电缆。此模型可用于研究非平衡电缆和截面长度不同的电缆。

除此之外,本教程还演示了使用简化几何的效果。简化是本教程系列的首要主题:使用比想象中更简单的几何模型通常是合理的。关键不在于细节的数量,而是优化模型的质量

第 6 节:热效应

在本系列的最后一节中,我们将电磁热和与受温度影响的电导率引入电缆模型中。在第 4 节的基础上,您将了解如何通过运行频率-稳态研究来建立电磁场与传热场之间的双向耦合。

Plot of a Cable Model Preset Resistance Curve  COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程
Modeling cables and thermal effects in COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics® 电缆建模:6 节系列教程

左图:预设电阻曲线 Rac (T) 的示例。右图:使用随温度变化的电导率,借此使 Rac (T) 匹配时的温度分布。

结果显示了温度对电缆相位和屏蔽损耗的影响。当加入电磁热后(不包含依赖于温度的电导率),电缆升温,但电磁特性仍与第 4 节的结果完全相同。当对相位施加线性电阻率时,相位损耗增加,但屏蔽损耗未增加。温度达到最高。如果也对屏蔽施加线性电阻率,则温度降低,相位和屏蔽的损耗均降低。

在此例中,材料属性已知,数值模型决定了相应的交流电阻。然而,对于电缆的热模型,人们通常使用随温度变化的交流电阻作为输入(例如 IEC 60287 标准中的交流电阻)。本教程的最后一节演示了如何将任意随温度变化的阻力曲线用作输入,并使模型决定相应的材料属性。

下一步

如果您正在寻找电磁建模的学习资源,请查看“海底电缆教程系列”,您可以详细学习每个教程,也可以根据个人兴趣只查看特定教程。

点击下方的按钮,即可阅读 PDF 版分步操作指南,并下载 MPH 文件:

COMSOL Access 账户可下载模型文件。如要下载 MPH. 文件,您还需安装软件许可证。

您还可以观看已归档的网络研讨会,学习电缆系统建模。


博客分类

加载评论……