[发明专利]基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法

说明书

本发明公开了一种基于电磁‑热‑流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法，首先，综合考虑电磁学、热学、流体动力学，设计并提出了基于体积控制的3维电磁‑热‑流的电缆中间接头耦合计算模型。接着，利用comsol进行电缆中间接头运行状态的仿真计算，获得温度分布、表面热通量等模拟数据。最后，利用耦合模型计算表面传热系数，对中间接头表面传热系数进行多项式拟合，应用运行电流、外部环境等特征量推算表面传热系数。本方法简单实用，具有可行性、准确性和适用性，可广泛应用。

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法。

背景技术

随着中国城市化进程的大力推进，城市供电网络越来越密集，电力电缆因其良好的性能得到了广泛的应用。虽然电缆工程的建设成本低，但运维成本较高。根据以往的研究，电缆工程故障主要出现在中间接头处。这是由于中间接头的安装、制造工艺不足，导致运行温度远高于同等截面电缆温度，从而加速了绝缘热老化。因此，研究中间接头的温度分布对绝缘寿命评估至关重要。

目前，数值方法是电缆中间接头运行状态分析的主要方法，能够较为准确地分析中间接头的稳态温度分布规律。该方法考虑本体结构和环境介质的物理场耦合关系，通过建立计算模型和多次迭代求解获得物理场分布。许多学者已采用数值方法分析了中间接头运行过程中的温度分布问题。这些研究采用电磁耦合分析，通过估计传热系数的方式，简化了中间接头与环境的热交换过程，不适合复杂场景下中间接头温度分析。

因此，提出了一种基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法。构架了以运行电流、环境温度为特征的传热系数计算方法，实现中间接头表面传热系数计算和散热效果的有效评估，增加了中间接头运行温度计算的准确性。

发明内容

本发明目的是提出一种基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法。首先，综合考虑电磁学、热学、流体动力学，设计并提出了基于3维电磁-热-流的电缆中间接头耦合计算模型。接着，利用comsol进行电缆中间接头的运行状态进行仿真计算，获得温度分布、表面热通量等模拟数据。最后，利用耦合模型计算表面传热系数，对中间接头表面传热系数进行多项式拟合，应用运行电流、外部环境等特征量推算表面传热系数。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于电磁-热-流耦合的电缆中间接头表面传热系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定电缆中间接头电磁-热-流耦合模型求解域

简化接头接地柱、热缩管、密封圈和半导体屏蔽层结构；除铜材料电导率、流体密度和粘性系数外，其它各组成材料均视为各向同性均匀介质且物性参数均为常数；将连接管和导体结合成一个元件，并将其电阻视为均匀电阻；忽略热源之间的热、相、流作用；充分考虑中间接头电磁、温度、气体流动的物理场耦合效应，以中间接头连接管为中心选取求解域；控制求解模型体积，避免边界层对物理场计算的干扰。

(2)建立电缆中间接头物理场分析的数学模型

构建电缆中间接头电磁场控制方程、电缆中间接头金属材料电导率与温度之间的关系，以耦合电磁-热；中间接头热源由导电材料的电磁热损耗产生，外部环境的热源由中间接头本体向外散热产生，由此构建热源损耗公式；流体模型采用平均雷诺数方程，使用湍流动能和湍流耗散率控制方程进行封闭，采用Boussinesq近似处理空气的密度，增强自然对流问题的收敛性；最终得到电磁-热-流的电缆中间接头耦合计算模型。

(3)确定电缆中间接头物理场分析的边界模型

在电磁场计算过程中，磁矢位在电缆金属导体处幅值最高，在外部空间内迅速衰减磁矢位趋于0；同时，求解域内磁矢位方向与导体电流方向垂直，故在导体横截面加载电流荷载，并将外边界(S1-S6)设置为磁绝缘边界；