COMSOLMULTIPHYSICS®中的建模电缆:8部分教程系列

7月8日,2020年7月8日

想要绘制电缆的路线图吗?我们为您提供了八件教程系列。电缆教程系列显示如何在COMSOLMultiphySics®软件和附加通信交流/直流模块中建模工业秤电缆,并提供作为建模电磁现象的介绍。数值模型基于标准电缆设计并通过报告的数据验证。当你卷起袖子并开始系列时,继续阅读偷看你的潜行。

编者注:这篇博客文章最初于2017年12月29日发布。它已更新以反映更新的教程系列。

请注意,本博客文章中讨论的模型仅为2D(系列的第1至6部分)。在另一个博客文章中讨论了3D扭转模型(第7部分和8):使用3D模型调查潜艇电缆中的归纳效果

第1部分:介绍电缆建模的基础和基础知识

开始是一个非常好的开始,因为大多数人都会说。教程系列的第1部分是您遇到模型的位置 - 具有带扭曲磁盔甲的三核引线护套XLPE HVAC(交联聚乙烯,高压交流电流)潜艇电缆。您还可以详细了解该系列其他七个部分所需的内容。

潜水艇电缆的照片。
潜艇电缆类似于整个本系列建模的电缆。通过z22 - 自己的工作。许可cc by-sa 3.0, 通过Wikimedia Commons.

此底漆允许您熟悉COMSOLMultibySics®软件的用户友好的桌面环境,以及通常的数值模拟。它向您展示了如何执行基本任务,例如:

  • 绘图或导入2D几何
  • 添加材料属性
  • 创建选择过滤器
  • 筛选你的模型

如果您觉得这些主题是古老的帽子,请随意跳过。

XLPE HVAC潜艇电缆模型的横截面图。
用于XLPE HVAC潜艇电缆模型的网格的图像。

具有三个核心的典型引线护套XLPE HVAC潜艇电缆模型的横截面(左)和网格(右)。几何体已参数化以允许快速修改;可以轻松地研究具有相同基本结构的任何电缆。

第2部分:电容效果

第二教程专注于建模电缆的电容性能并验证一个重要的假设:分析方法足以分析电容和充电效果。这将在整个系列中有用。

本教程包含在初学者中,但结果也支持该系列的其他部分。它展示了材料特性和电缆长度的重要性。在电缆型号的横截面中,材料特性的大对比度使您可以将XLPE视为完美的绝缘体和引线和铜材料作为完美导体。这些结果对应于分析近似。

潜艇电缆中电势分布的曲线图。
COMSOL多发性模型电缆面内位移电流密度规范的图。

左:电缆电位分布在10公里的电缆后,单点键合(在相位φ= 0)。右:绝缘体中的面内位移电流密度范数(主要是XLPE)。

就电缆长度而言,您将看到分析近似足以用于10公里的电缆。即使在施加单点键合时发生的最坏的名称条件,这也保持了如此,并且所有电压诱导效应同相。

第3部分:键合电容

该系列的第3部分在上一个教程中构建,这表明您可以忽略阶段之间的电容耦合并考虑一个隔离阶段。这将模型减少到轴对称问题。为了覆盖整个10公里的电缆,我们在模型中使用缩放的2D轴对称几何。

电缆中隔离阶段几何的2D轴对称视图。
通过电缆中通过引线护套的充电电流图。

左:隔离阶段的2D轴对称几何形状,具有三个单独的粘接部分和用于横向和纵向的不同规模。右:由电缆累积的所得充电电流的标准(用于交叉键合)。

泄漏到屏幕上沿电缆的充电电流积聚并在接地点或交叉处达到最大值。绑定电容教程分析了不同绑定类型的当前积累以及相应的损耗。结果如下:

粘接类型 接地点/交叉点的总累积充电电流 每个屏幕的相应损失
单点键合 55 A. 1.5 kW.
坚固的粘合 28 A. 0.38 kW.
交叉绑定 10.7 A. 85 W.

第4部分:归纳效果

该系列的这一部分在前两个教程中构建,表明电缆的电感和电容性部件之间存在弱耦合。除此之外,3D扭转模型将显示,尽管现场和损耗分布在3D中有点不同,但由2D和2.5D型号计算的集成量(电阻和电感)实际上非常准确。为了进一步调查这一点,归纳效果教程构建了仅包括平面外电流的2D / 2.5D电感模型。

电缆横截面中瞬时磁通密度规范的动画,包括固体粘合和铠装扭曲。

电缆铠装和屏幕中引起的电流密度的动画,包括固体粘合和包括装甲扭曲。

本教程专注于允许您对磁盔甲和阶段近似2D的电线扭曲的方法。对于多种配置,评估损失。包括装甲扭曲的配置被称为“2.5D模型”,因为它是一个2D模型,包括一些3D效果。扭曲抑制了铠装电流;盔甲损失明显下降,电感上升。

除此之外,我们展示了两种不同的建模中央导体方式。第一示例假设中心导体由固体铜组成,导致典型的皮肤和邻近效应。另一个显示出完美搁浅的LITZ线方法(完美的Milliken导体),导致均匀的电流密度分布。本教程中找到的仿真结果使用官方国际标准之后的实际产品数据表验证。比较显示出良好的匹配,特别是对于电感。

第5部分:粘接归纳

部分5的目的是进一步检查第3部分(和4)中引入的不同键合类型:单点键合,固体键合和交叉键合。(交叉粘接尤其对陆地电缆系统感兴趣。)与第3部分相反,这部分侧重于感应效应。

您将学习如何通过耦合三个单独的三个不同的电缆部分来单独考虑三个不同的电缆部分磁场物理界面到电路。所得到的模型允许使用不同的截面长度调查推断电缆和电缆。

此外,教程演示了使用简化几何的影响。简化是本教程系列中的总体主题:通常有理由使用比您想象的更简单的几何。你会看到它不是数量细节使得一个很好的模型;它是种类细节。

第6部分:热效应

在第6部分中,电磁加热和温度依赖的电导率被添加到电缆模型中。建立第4部分,您将学习如何通过实现频率静止研究来在电磁场和传热部分之间设置双向耦合。

绘制典型预设电阻曲线的图表。
电缆温度分布的仿真结果依赖性电导率。

左:预设电阻曲线R的示例AC.(t)。右:使用温度依赖的电导率时产生的温度分布,使得RAC.(t)匹配。

结果显示温度对电缆阶段和屏幕损耗的影响。当添加电磁加热时(没有温度依赖的电导率),电缆加热,但电磁特性仍然与第4部分报告的那些相同。当专门向阶段添加线性化电阻率时,相位损失增加但不是屏幕和铠装损失。温度达到最大值。如果在屏幕和装甲上施加线性化电阻率,则温度降低,并且阶段,屏幕和铠装的损耗降低。

在这种情况下,提供了材料特性,并且数值模型确定相应的AC电阻。然而,对于热电缆型号,常规做法使用温度相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位材料属性。当你有一个复杂的米利肯指挥时,这尤其有用,你不确定什么有效的材料特性使用(即没有解决实际的股线)。

这些2D模型的结果可以与3D扭曲模型的结果进行比较。在另一个博客文章中讨论了3D转弯模型:使用3D模型调查潜艇电缆中的归纳效果

下一步

检查电缆教程系列如果您正在寻找自定位的电磁设计资源,无论您是否要详细检查每个部分或跳过,具体取决于您的兴趣。

您可以通过下面的按钮访问逐步PDF指令和MPH文件下载的材料:

您还可以通过观看了解有关建模电缆系统的更多信息这个存档的网络研讨会


评论(4)

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穆罕默德·阿里
2018年2月15日

你好,

伟大的学习,喜欢动画!

我刚刚开始阅读COMSOL,我还没有使用它,我需要先学习基础知识。我等不及尝试使用中央导体的两种方式(坚实和搁浅的Litz)。只有几个问题,完美导体和完美绝缘体的近似何时准确,并且百分比大约在10 km的长度上准确?

谢谢你。

"i haven’t yet, need learn basics first." cable tutorial series written mind. further support, feel free contact our sales department.">
Durk de Vries.
2018年2月16日

嗨穆罕默德,

>“完美导体和完美绝缘体的近似何时可以准确地且百分比大约在10 km的时间内准确?”

我假设您指的是教程第2部分中讨论的方法。这里,分析表达式用于预测电缆的电容性质。数值模型和规范图表用于调查原因,以及扩展这些分析表达式有效的延伸。

兴趣的主要方程是电缆的电容C(通常在[μF/ Km]中给出)。它假设电缆的阶段(与它们的屏幕一起)是直的同轴线,完美的绝缘体夹在完美导电的中央核心和完美的屏幕之间:

c =2πε/ ln(r2 / r1)

除了电缆的非完美绝缘/导电性能外,该近似忽略了三个屏幕之间的电容耦合,以及屏幕和土壤之间的电容耦合。主要问题是这种近似是否保持,即使在使用单点粘合到10 km]长电缆,嵌入湿土中。

数值建模工具是调查此的理想选择,因为您可以轻松地测试不同的场景,而无需实际安装电缆10μΩ。即使在考虑数字模型本身是真实世界条件的近似值的事实时,您也可以提取一些非常重要的知识。

例如:与许多其他材料特性相反(例如介电常数ε,或渗透率μ),电导率σ能够覆盖令人难以置信的大范围。它可以小于1E-18 [S / M],或大约6E7 [S / M]。即使在添加各种寄生效应(虽然仍然避开电磁击穿)时,它也是XLPE是这样一个良好的绝缘体,它完全占据了电磁问题的电容部分。

如果您想要图:对于在标称条件下工作的特定电缆设计,电容和充电电流偏离“理想”值达约0.5-1%左右。如果阶段和屏幕在电缆的中心扭曲,它们的有效长度将有点更长,增加了一点到总电流泄漏。

比图本身更重要,是观察到这些效果相当小,与在改变XLPE的材料属性时的效果,或其半径/“圆度”(如分析模型预测)的效果相比。因此,这些(“ε”,“R2 / R1”)是非常重要的设计参数。

>“我还没有使用过,我需要先学习基础知识。”

有线电视教程系列是用本文写的。如果您需要进一步的支持,请随时联系我们的销售部门。

Ali Hosseini
2019年3月29日

你好,
我正在尝试使用金属护套模拟3相单芯导体。
但是鞘中的诱导电压的格拉流与分析方法不同。
交叉粘接的第二部分应该是抛物线下的病房。
分析方法是错误还是模拟?

Brianne Christopher.
2019年3月29日

你好阿里,

感谢您的评论。

有关与您建模相关的问题,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.

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