ComsolMultiphysics®中的建模电缆：8部分教程系列

想要建模电缆的路线图吗？我们为您提供了一个由八部分组成的教程系列。电缆教程系列显示了如何在ComsolMultiphysics®软件和附加AC/DC模块中对工业规模的电缆进行建模，还可以作为建模电磁现象的介绍。数值模型基于标准电缆设计，并通过报告的数字验证。继续阅读，以偷看袖子卷起袖子并开始系列时所学的内容。

编者注：此博客文章最初于2017年12月29日发表。此后已更新以反映更新的教程系列。

请注意，此博客文章中讨论的模型仅为2D（该系列的第1到6部分）。3D扭曲模型（第7和8部分）在另一篇博客文章中进行了讨论：使用3D模型研究潜艇电缆中的归纳效应。

第1部分：引入电缆建模的基础和基础知识

正如大多数人所说，开始是一个非常好的起点。教程系列的第1部分是您符合该模型的地方 - 三核铅壳XLPE HVAC（交联的聚乙烯，高压交流电流）带有扭曲的磁性装甲的海底电缆。您还将获得有关该系列其他七个部分的期望的详细概述。

一条类似于整个系列模型的潜艇电缆。Z22的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

该底漆使您可以熟悉ComsolMultiphysics®软件的用户友好台式环境，并且通常使用数值建模。它向您展示了如何执行基本任务，例如：

• 绘制或导入2D几何形状
• 添加材料特性
• 创建选择过滤器
• 夹住您的模型

如果您觉得这些主题对您来说是旧帽子，请随时跳过。

横截面（左）和网眼（右），用于带有三个核心的典型铅壳XLPE HVAC海底电缆的模型。几何形状已被参数化以进行快速修改；任何具有相同基本结构的电缆都可以轻松研究。

第2部分：电容效果

第二个教程重点是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应。这将在整个系列中很有用。

本教程适用于初学者，但结果也支持该系列的其他部分。它证明了材料特性和电缆长度的重要性。在电缆模型的横截面中，材料属性的大对比度使您可以将XLPE视为完美的绝缘体，铅和铜材料是理想的导体。这些结果对应于分析近似。

左：10 km电缆后的电势分布以进行单点键合（在相φ= 0时）。右：绝缘体（主要是XLPE）中的平面内位移电流密度标准。

在电缆长度方面，您将看到分析近似足以容纳10公里的电缆。即使在最坏的标称条件下，这种情况也保持真实，这是在应用单点键合，所有诱导电压效应的效果均为内相。

第3部分：粘结电容

该系列的第3部分基于上一个教程，这表明您可能会忽略阶段之间的电容耦合，而是考虑一个孤立的阶段。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轴对称几何形状。

左：隔离相的2D轴对称几何形状，分为三个单独的键合截面和横向和纵向方向的不同尺度。右：沿电缆累积的产生充电电流的标准（用于交叉键合）。

沿电缆堆积的充电电流在屏幕上积聚，并在接地点或交点处达到最大值。粘结电容教程分析了不同键合类型以及相应损失的当前堆积。结果如下：

粘结类型	地面/交集处的总累积充电电流	每个屏幕的相应损失
单点键合	55 a	1.5 kW
固体结合	28 a	0.38 kW
交叉粘结	10.7 a	85 w

第4部分：归纳效应

该系列的这一部分建立在前两个教程上，这表明电缆的电感和电容式部分之间存在较弱的耦合。除此之外，3D扭曲模型还将向您显示，尽管3D场和损耗分布有些不同，但由2D和2.5D模型计算出的集团数量（电阻和电感）实际上非常准确。为了进一步研究，电感效应教程构建了仅包含平面电流的2D/2.5D电感模型。

电缆横截面中瞬时磁通密度标准的动画，用于实心粘结，并包括装甲扭曲。

电缆盔甲和屏幕中引起的电流密度的动画，包括固体粘结，并包括甲板扭曲。

该教程的重点是使您可以在磁性装甲和相位的2D中近似电线扭曲的方法。对于几种配置，评估损失。包含的装甲转换的配置称为“ 2.5D模型”，因为它是2D模型，其中包括一些3D效果。扭曲抑制了装甲电流；装甲损失显着下降，电感上升。

除此之外，我们还展示了对中央导体建模的两种不同方法。第一个例子假设中央导体由固体铜组成，从而产生典型的皮肤和邻近效应。另一个显示出完美的LITZ线接近（完美的Milliken导体），从而导致均质的电流密度分布。根据官方国际标准，使用实际产品数据表验证了本教程中发现的仿真结果。比较显示出很好的匹配，尤其是对于电感。

第5部分：粘结感

第5部分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。（交叉键合对于陆生电缆系统特别感兴趣。）与第3部分相比，该部分侧重于电感效应。

您将学习如何通过耦合三个单独的三个不同的电缆部分单独考虑三个不同的电缆。磁场物理与电路接口。最终的模型允许研究具有不同截面长度的电缆和电缆。

此外，教程展示了使用简化的几何形状的效果。简化是本教程系列中的一个总体主题：使用比您想象的要简单得多的几何形状通常是合理的。您会发现这不是数量细节使一个好模型；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性电导率被添加到电缆模型中。建立在第4部分的建立，您将学习如何通过实施频率平台研究在电磁场和传热部件之间建立双向耦合。

左：预设电阻曲线的示例r_交流（t）。右：使用温度依赖的电导率时，所得的温度分布使得r_交流（t）匹配。

结果显示了温度对电缆相和屏幕损失的影响。当添加电磁加热（没有温度依赖的电导率）时，电缆会加热，但是电磁特性仍然与第4部分中报道的电磁特性相同。损失。温度达到最高。如果也将线性电阻率应用于屏幕和装甲，则两个相，屏幕和装甲的温度降低，损耗降低。

在这种情况下，还提供了材料特性，并确定相应的AC电阻。但是，对于热线电缆模型，通常使用依赖温度的AC电阻作为输入（由IEC 60287系列标准品或测量提供）。教程的最后部分演示了如何使用任何依赖温度的电阻曲线作为输入，并让模型确定相应的相材料特性。当您拥有精致的Milliken指挥时，这特别有用，您不确定什么有效的材料特性使用（即；不解决实际链）。

这些2D模型的结果可以与3D扭曲模型的结果进行比较。3D扭曲模型将在另一篇博客文章中讨论：使用3D模型研究潜艇电缆中的归纳效应。

下一步

如果您正在寻找自定进度的电磁模型资源，请查看电缆教程系列，无论您是要详细检查每个部分还是根据您的兴趣进行详细检查还是跳过。

您可以通过下面的按钮访问包括分步PDF说明和MPH文件下载的材料：

您还可以通过观看来了解有关建模电缆系统的更多信息这是该存档的网络研讨会。