Comsol高压直流XLPE绝缘电缆终端电场热场仿真模拟

      随着智能电网的发展、电能需求的逐步提升，直流输电由于具有传输容量大、节省输电走廊、没有谐波干扰和无功损耗等优点，逐渐在大容量、远距离输电、风能、太阳能等清洁能源电网以及城市智慧电网、海底输电工程等方面发挥越来越重要的作用。高压直流输电电缆是直流输电线路的重要组成部分，尤其是交联聚乙烯绝缘电缆（XLPE），因其优越的机械和绝缘性能得以迅速发展。

      电缆附件作为高压直流输电系统的重要组成部分，其可靠性直接影响整个电缆输电系统的安全性与稳定性。根据高压电力系统故障率来看，电缆绝缘出故障的概率远小于电缆附件，电缆附件故障率约占到整个电力系统故障的 60%~70%有关高压电缆附件的研究涉及电气、材料、热学以及力学等多学科交叉，而且各部分之间相互影响、相互耦合，较为复杂。

      大量已投运或在建的直流输电项目表明高压直流输电发展前景广阔，而高压直流电缆及其电缆附件作为高压直流输电工程的关键部件， 其安全可靠性对整个输电系统的安全运行具有重大的意义。模拟环境建立电缆终端热场模型可以克服传统方法需要大量试验研究的不足，同时可以经济、直观、便捷的研究不同工况下终端内部温度分布情况，且仿真误差在工程设计接受范围内，因此被广泛应用于工程实际中。直流电缆终端热场的分布影响着终端内各绝缘材料电导率，材料电导率的改变又决定了终端电场的分布，因此终端热场的研究对各层绝缘厚度的设计(即使用场强的选择)以及线芯通流能力的确定有着重要的意义。

      高压直流电缆终端作为电缆输电系统的关键部件和薄弱环节，起着过渡、衔接等主要作用。高压直流电缆终端的安全稳定运行对整条电缆线路的可靠运行具有重要的意义。查找电缆材料特征参量，建立了电缆终端电-热物理场模型。通过电位泊松方程计算了电缆终端电势分布和电场分布，采用热传导泊松方程和自然对流边界条件计算电缆终端热场分布。基于Comsol有限元计算软件建立XLPE绝缘电缆终端计算模型，各部分的尺寸按照1：1的比例结构图建立，具体计算模型和材料参数设置如图2和3所示。

      模型采用电磁-传热-耦合的电磁热多物理场耦合方法进行计算，详细的物理场及边界条件设置如图4所示，网格剖分及质量分布如图5所示。