Comsol三相XLPE电缆电热耦合计算

      载流量是电力电缆传输能力的最重要指标之一，准确地评估电力电缆载流量对于提升电力电缆线路的传输容量，提高电力电缆工作可靠性和运行经济性，延长其使用寿命有着重要意义。交联聚乙烯（Cross-linked polyethylene, XLPE）因电气、理化性能优良，传输容量大，重量较轻，易于安装和维护等优点被广泛应用于交、直流输电系统。与架空输电线路相比，电力电缆一般敷设于地下，因其不易受外部天气的影响，不占用道路面积，对于城市的整体容貌影响不大，可靠性高等诸多优势在输电线路中所占的比例大幅增加。

      电力电缆的载流量主要取决于电缆主绝缘在长期运行中所允许的最高温度。电缆的载流量大小对导体温度有较大的影响，若电缆的载流量过大，则会导致导体温度过高，从而加速电缆绝缘结构和性能的劣化，缩短电缆的使用寿命，降低电能质量，如XLPE 电缆绝缘超过允许工作温度值 8%时，电缆的寿命减半；当超过允许工作温度值15%时，电缆寿命减为原值的 25%。若电缆载流量过小，则导体材料得不到充分利用，将造成资源浪费和传输能力的下降。因此，电力电缆载流量的准确评估对于电力电缆的安全、可靠、经济运行有着非常重要的作用，但地下敷设的复杂性、周围环境因素、散热条件等可变因素给载流量的准确评估带来了很大的困难，必须充分了解地下电缆的热分布以及周围环境的热分布情况才能对电缆当下的运行状态做出准确评估。因此在电缆实际敷设过程中，电缆载流量的正确计算有利于电缆输送容量的最大化利用和长期安全、可靠的运行。

      当电缆穿管埋地敷设时，由于电缆与套管内壁之间存在着空气流动，在进行电缆温度场与载流量计算时应该考虑热传导、热对流和热辐射三种导热方式，其中电缆本体、套管与土壤之间以热传导方式导热，套管内空气与套管内壁、电缆表面与套管表面间主要以热对流和热辐射方式导热。此时，需耦合电磁场、热场和流体场。若在套管内填充固体填充物时，则不用考虑热对流导热方式，只需进行电磁场和热场这两个物理场的耦合。因此建模采用电热耦合的方法进行计算。

图1. 三相XLPE电缆

根据CAD设计图纸搭建了XLPE电缆模型，电缆导体间距为 400 mm，电缆的敷设深度为1 m，具体简化模型如图2所示。计算过程需设置材料的电导率、相对介电常数、导热系数、比热容和密度，为了结果的准确性，以上参数均从相关论文资料以及现有实验数据中获得，如图3所示。

      计算模型选择电流场和固态传热场耦合的电磁热模块进行计算，电流模块施加三相交流电流在三相XLPE电缆线芯，电缆屏蔽层接地；为保证模型计算准确性，选定距离电缆下方 10 m 处为土壤深层，认为该边界离电缆足够远，不再受电缆温度影响，温度恒定不变，属于第一类边界条件；距电缆左右 20 m处为土壤的左右边界，认为该边界离电缆足够远，热流密度无变化，属于第二类边界条件；土壤上边界与空气存在对流换热，属于第三类边界条件。因此传热场设置地底温度293.15K，两侧边界设为热绝缘，地表设置热通量边界，换热系数取10W/(m2*K)，详细的边界条件如图4所示。

根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用非结构网格对模型进行划分，网格质量分布如图5所示。