在COMSOL Multiphysics®建模电缆:8-Part教程系列

2020年7月8日

想要一个建模电缆的路线图?我们有一个八部分的教程系列。电缆教程系列展示了如何在COMSOL Multiphysics®软件和附加的AC/DC模块中建模工业规模的电缆,也作为一般电磁现象建模的介绍。数值模型基于标准电缆设计,并通过报告数据进行验证。当你卷起袖子开始阅读这一系列文章时,不妨继续读下去,先睹为快。

编者按:本文最初发表于2017年12月29日。它已经更新,以反映更新的教程系列。

请注意,本文中讨论的模型仅为2D(本系列的第1至6部分)。3D扭曲模型(第7部分和第8部分)将在另一篇博文中讨论:使用3D模型研究海底电缆中的诱导效应

第一部分:介绍电缆建模的基础知识和基本原理

正如大多数人会说的那样,开始是一个很好的开始。在本教程系列的第1部分,您将遇到这个模型——带有扭曲磁铠装的三芯铅护套XLPE HVAC(交联聚乙烯,高压交流)海底电缆。在本系列的其他7个部分中,您还将得到关于预期内容的详细概述。

海底电缆的照片。
海底电缆类似的一个模型在整个系列。图片由Z22 -自己的工作。下许可3.0 CC冲锋队通过维基共享

本入门教程允许您熟悉COMSOL Multiphysics®软件的用户友好的桌面环境,以及一般的数值建模。它向你展示了如何执行基本任务,例如:

  • 绘制或导入2D几何图形
  • 添加材质属性
  • 创建选择过滤器
  • 啮合模型

如果你觉得这些话题对你来说已经过时了,可以随意跳过。

XLPE HVAC海底电缆模型的横断面视图。
XLPE HVAC海底电缆模型的网格图像。

典型的三芯铅壳交联聚乙烯海底电缆模型的截面(左)和网格(右)。几何形状已经参数化,以允许快速修改;任何具有相同基本结构的电缆都可以很容易地进行研究。

第二部分:电容效应

第二篇教程着重于模拟电缆的电容特性,并验证了一个重要的假设:分析方法足以分析电容和充电效应。这在整个系列中都很有用。

本教程是面向初学者的,但其结果也支持本系列的其他部分。论证了材料性能和电缆长度的重要性。在电缆模型的横截面中,材料性能的巨大反差使您可以将XLPE视为完美的绝缘体,而引线和铜材料则视为完美的导体。这些结果与解析近似一致。

海底电缆的电势分布图。
基于COMSOL Multiphysics模型的电缆面内位移电流密度模。

左:单点连接电缆10km后的电势分布(相位φ = 0)右:绝缘体(主要为XLPE)的面内位移电流密度范数。

就电缆长度而言,您将看到解析近似对于10公里的电缆是足够的。这是真实的,即使在最坏的可能的名义条件下,这发生时,单点连接是适用的,所有电压诱导效应是相。

第3部分:连接电容

本系列的第3部分建立在前一教程的基础上,该教程表明,您可能会忽略相位之间的电容耦合,而考虑一个孤立的相位。这将模型简化为轴对称问题。为了覆盖整个10公里的电缆,我们在模型中使用了一个缩放的2D轴对称几何。

一个二维轴对称的几何视图,在一个孤立的相位在索。
通过电缆中铅护套的充电电流图。

左:一个孤立相的二维轴对称几何结构,有三个独立的键合段,横向和纵向方向有不同的比例。右图:由此产生的充电电流沿电缆累积的标准值(用于交叉连接)。

漏进屏幕的充电电流沿电缆积聚,在接地点或交点处达到最大。Bonding Capacitive教程分析了不同Bonding类型的电流积聚以及相应的损耗。结果如下:

成键类型 接地点/交点累计充电电流 每屏相应损耗
单点焊接 55个 1.5千瓦
坚实的结合 28 0.38千瓦
交联 10.7 85 W

第四部分:诱导效应

本系列的这一部分建立在前两篇教程的基础上,这两篇教程说明了电缆的电感部分和电容部分之间存在弱耦合。此外,三维扭曲模型将向您展示,尽管在三维中磁场和损耗分布略有不同,但由2D和2.5D模型计算的集总量(电阻和电感)实际上是相当准确的。为了进一步研究这一点,诱导效果教程构建了一个2D/2.5D的诱导模型,只包括平面外电流。

电缆横截面的瞬时磁通量密度规范动画,包括固体粘结和铠装扭转。

电流密度的动画诱导在电缆的装甲和屏幕,为固体粘结和装甲扭转包括。

本教程侧重于方法,使您可以近似的线扭转在2D,无论是磁装甲和阶段。对几种配置的损失进行了评估。包含盔甲扭曲的配置被称为“2.5D模型”,因为它是一个2D模型,包含一些3D效果。扭转抑制了盔甲的电流;装甲损耗显著下降,电感增加。

除此之外,我们还演示了两种不同的建模中心导体的方法。第一个例子假设中心导体由固体铜组成,导致典型的趋肤和邻近效应。另一种是完美绞合的立兹线方法(完美的密立肯导体),导致均匀的电流密度分布。本教程中的模拟结果使用符合官方国际标准的实际产品数据表进行验证。比较结果表明两者吻合较好,尤其是电感。

第五部分:感应式键合

第5部分的目标是进一步检查在第3部分(和4)中介绍的不同连接类型:单点连接、固体连接和交叉连接。(交叉连接对于地面电缆系统尤其重要。)与第3部分不同,本部分主要关注诱导效应。

您将学习如何分别考虑三个不同的电缆部分耦合三个独立磁场物理接口到电路。由此得到的模型可用于研究失平衡的电缆和不同截面长度的电缆。

此外,本教程还演示了使用简化几何图形的效果。简化是本系列教程的首要主题:使用比你想象的更简单的几何图形通常是合理的。你会发现它不是制作一个好模型的细节;这是种类的细节。

第6部分:热效应

在第6部分,电磁加热和温度依赖的导电性被添加到电缆模型。在第4部分的基础上,您将学习如何通过实现频率平稳的研究来建立电磁场和传热部分之间的双向耦合。

绘制典型的预置电阻曲线的图形。
电导率随温度变化的电缆内温度分布的模拟结果。

左:一个预设电阻曲线R的例子交流(T).右:当使用温度依赖的电导率,如R交流(T)相匹配。

结果表明温度对电缆的相位和屏蔽损耗的影响。当添加电磁加热(没有温度依赖的导电性)时,电缆加热,但电磁特性仍然与第4部分中报告的相同。当增加线性电阻率的相位,相位损失增加,但不增加屏幕和装甲损失。温度达到最大值。如果将线性电阻率也应用到屏蔽和装甲上,则屏蔽和装甲两相的温度会降低,损失也会减少。

在这种情况下,给出了材料的特性,并用数值模型确定了相应的交流电阻。然而,对于热电缆模型,通常的做法是使用与温度有关的交流电阻作为输入(由IEC 60287系列标准提供,或由测量提供)。本教程的最后一部分演示了如何使用任何温度相关的电阻曲线作为输入,并让模型确定相应的相材料属性。当你有一个复杂的密立肯导体,而你不确定是什么时,这是特别有用的有效的材料特性使用(即;没有解决实际的线)。

这些二维模型的结果可以与三维扭曲模型的结果进行比较。在另一篇博客文章中讨论了3D扭曲模型:使用3D模型研究海底电缆中的诱导效应

下一个步骤

如果您正在寻找电磁学建模资源,请查看电缆教程系列,是否希望详细检查每个部分或跳过,这取决于您感兴趣的内容。

你可以通过下面的按钮访问这些材料,其中包括一步步的PDF说明和mph文件下载:

您还可以通过观看了解更多关于建模电缆系统的知识这个存档研讨会


评论(4)

留下你的评论
乐动体育app
加载……
穆罕默德阿赫利
2018年2月15日

你好,

很棒的学习,喜欢动画!

我刚刚开始阅读COMSOL,我还没有用过它,我需要先学习基础知识。我迫不及待地尝试两种建模中心导体(固体和搁浅litz)的方法。还有几个问题,完美导体和完美绝缘体的近似什么时候就不准确了在长度为10千米时,精确的百分比是多少?

谢谢你!

Durk德弗里斯
2018年2月16日

你好默罕默德,

“完美导体和完美绝缘体的近似什么时候停止精确?长度大约为10公里时,精确的百分比是多少?”

我假设您引用的是本教程第2部分中讨论的方法。这里,用解析表达式来预测电缆的电容特性。数值模型和规格图被用来研究为什么这些解析表达式是有效的,以及扩展到什么程度。

我们感兴趣的主要方程是电缆的电容C(通常为[μF/km])。它假设电缆的相位(以及它们的屏蔽)是同轴直线,在完美导电的核心和完美导电的屏蔽之间夹有完美的绝缘体:

C = 2πε/ ln (R2 / R1)

除了电缆的非完美绝缘/导电特性外,这种近似忽略了三个屏蔽层之间的电容耦合,以及屏蔽层与土壤之间的电容耦合。主要的问题是,这种近似是否成立,即使是在一个10[公里]长的电缆,嵌入潮湿的土壤中使用单点粘结。

数值建模工具是研究这一问题的理想工具,因为你可以轻松地测试不同的场景,而无需实际安装10公里长的电缆。即使考虑到数值模型本身是真实世界条件的近似值这一事实,您也可以提取一些非常重要的知识。

例如:与许多其他材料的特性(如介电常数ε或磁导率μ)相反,导电σ能够覆盖一个令人难以置信的大范围。它可以小到1e-18[S/m],或大到6e7[S/m]。即使加入了各种寄生效应(同时仍然避免了电磁击穿),XLPE也是一种很好的绝缘体,它完全控制了电磁问题的电容性部分。

如果你想要一个数字:对于这种在标称条件下工作的特殊电缆设计,电容和充电电流偏离“理想”值约0.5-1%左右。如果相位和屏幕绕着电缆的中心扭曲,它们的有效长度将稍微长一点,增加一点总漏电流。

也许比图本身更重要的是,与稍微改变XLPE材料属性或其半径/“圆度”(如分析模型所预测的)时的影响相比,这些影响是相当小的。因此,这些参数(“ε”,“R2/R1″”)是非常重要的设计参数。

>“我还没有用过它,我需要先学习基础。”

有线电视教程系列就是基于这一点编写的。如果您需要进一步的支持,请随时与我们的销售部门联系。

阿里Hosseini
2019年3月29日

你好,
我正在尝试模拟一个带有金属护套的3相单芯导体。
但护套内感应电压的变化与分析方法不一致。
交叉键的第二部分应该是向下的抛物线,而不是向上的。
是分析方法错了,还是模拟结果错了?

Brianne克里斯托弗
2019年3月29日

你好,阿里,

谢谢你的评论。

有关您的建模的问题,请联系我们的支持团队。

在线支持中心://www.dvdachetez.com/support
电子邮件:support@comsol.com

探索COMSOL乐动体育赛事播报博客