电缆附件的电场数值计算和优化设计

电缆附件的电场数值计算和优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 2乒 ， 上海电缆研究所 孔德武 周明阳 加拿大winnipeg大学徐 玮 毅 A 一 ～ 摘要 开发的能在个人计算机上进行有限元电磁场计算分析的软件包，只需输入求解问 题的拓扑结构和边界条件，就可自动生成有限元计算网格，然后进行计算、分析，给出结果。应 用该软件包时电缆附件进行电场计算与优化设计，能明显提高其电气性能。 主题词 电线电缆附件 产品设计 电场 数值计算 微处理机 软件 I ——————一 ／ ——^／ 一 ， —— 。 ⋯ 另一方面，通用的商品化软件包需要高 档的硬件支持(如工作站)，但硬件及软件投 随着计算机硬件的进步，经过深入研究， 贤昂贵，计算过程需要专业人员操作，因而在 电场的数值计算方法正在逐步得到广泛的应 我国生产设计部门的应用受到了限制。所 以， 用，现已有通用的商品化软件包m。电力电缆 研究开发能在个人计算机上进行较专门的电 本体电场分布均匀，但附件电场分布复杂，所 磁场计算的软件包，仍有其实用的价值，在国 以快速准确的电场数值计算对附件设计的重 外不断有相关文献发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf “ J。 要性是不言而喻的。因此，电场分析与计算一 本文介绍了我们开发的一种有限元电磁 直是 电缆附件研究的重要课题 ，有关专著 场分析软件包 ，以及它在电缆附件电场分析 中大多涉及了这方面问题。随着交联聚乙烯 上的一些应用。 x ￡ ： ! 有限元电磁场计算软件包 大量采用了尺寸准确 、结构更为复杂的预制 ⋯ ⋯ 。一 一 ⋯ ⋯ 。一 件 以及 应力控制 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 来均匀电场，故电场分 该软件 在带有 协处 理器 的48 6微机 上 析显得更为需要。 可 良好运行 ，典型配置如486 DX2 66 MHz 并不是十分困难的试验项目，但其试验结果 却能 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 一些性能和使用上的问题。它尽管 未列人标准，如果能进一步进行这方面工作 并积累数据，无疑对潦包线产品发展和质量 提高都是有益的。近几年中，国外对漆包线的 绕线性能、嵌人性能及适用性等进行了很多 研究，针对与这些性能有关系的表面润滑性 的研究则更多，其中有漆包线制造部门单独 研究试验的，也有制造部门与使用部门联合 试验的。由此可见，这都是确保工业发达国家 漆包线质量水平高、适用性大的很重要的原 因之一 ，值得我国发展复台漆包线时借鉴。 参 考 文 献 l 栖 志青 国外复音馀层臻包线发展概 况．中国电材 行业协会电线电蟪分会复音臻包拽研讨 台赍辩 ，1996年 1i 月 2 张志昌，米 锐等．电磁线用户调查报告 中国电材 行业协会电线电统分舍 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 ，1995年． 3 邢车仁、豫 国维等 耐睁堞臻包 线导体材质厦加工 工艺的研究．上j每电缆研究所研究报告一1994年． 4 J．Ruage．Manu(acture and u·e of dual coal enⅡ． melled re5．Wjre．1988。38(5)i 543— 546． 8 H Pops Copper rod requirements fDr magnet wire Wire Journal lnternat∞aa1．1987'v(5)I 59— 7O 6 H．Pops，J Walker．Charac咐 舶t n and causes ol continuity faults n copper magnet wire．Wire Journal Inter~ nationa1．1994，(1O) 74— 82 7 H．Lehmann [nter~ationa]trends for enamelled wire W ire Industry 1986．(3)I27i一 274 8 K．Asano etc Enamelled w re for Refrigerators un der CFC restrictions HITACHI Cable Review．1992 Aug{ 51— 56． ‘， 。 ④ 维普资讯 http://www.cqvip.com ??? www.zhunbiao.com ???? CPU (该 CPU 带有数学协处理器)，8 M 内 存。计算结果由打印或 X—y绘圉设输 出 软 件包的结构如图 1所示。 闰1 有限元电场计算软件包框图 该软件包通用性强，除 能解决一般的电 场问题外，还能解决高压电器设备中的多种 问题 。 该软件包使用方便，只需输入求解问题 的拓扑结构和边界条件 ，就可 自动生成有限 元计算网格，然后进行计算、分析，给出结果。 能对任意边界包括连通域和非连通域进行 自 动剖分。前后处理采用人机对话的方式，使用 比较容易，略通计算机使用的电气设计人员 经过一二天培训即可使用操作 I1前处理 前处理包括辕^求解问题的拓扑结构和 边界条件；有限元网格的自动生成。拓扑结构 和边界条件 以人机对话方式输八 ，井有直观 的翻形显示 ，便于查诲和河整 。网格的剖 }应 用 了多种优化措施，如 Deionney算子 ，节 点 松弛，还可按不 同需要选择相应的自适应 剖 分判据。生成的网格具有 以下几个优点 ：(1) 三角单元接近正三角形 ；(2)在剖分域 中一 定的单元个数下节点数量少；f3)三角单元 的疏密分布可人为调整。 前处理功能大大加速了横型的建立和转 化过程，复杂的模型能在几小时内完成并求 解 ，而人工剖分要花几个星期甚至几个月。 2．有限元计算和分析 有限元电场计算分析软件包能对固定边 界条件、自然边界条件和未 知等位边界条件 求解 ；能进 行静 电场 电流场 和非线性静 电 场、电流场的计算和分析 3．后处理 ’R ’ 计算结果可用多种形式表示：(1)整个 场域的电位分布图；(2)整个场域的能量分 布圉，按不 同能量等级染色或 以不同灰度级 显示；(3]整个场域的电场强度分布图；(4) 感兴趣的局部电位分布和场强分布，如绝缘 子表面的电位分布图，电缆附件各界面的场 强分布等等。 该软件包在计算理论上还有以下创薪： (1)提出了用有限元计算电场 自适应剖 分的一个判据 D，。它是根据相邻单元公共边 的 D通量 固离散化计算产生的不连续性 ，并 考虑单元的面积因素来 构造的，因此较 已有 的自适应剖分判据更为台理有效．对于复杂 和特殊的场域也能得到非常满意 的剖分结 果 。 f2)在有限元恒流场计算 中加^处理非 线性面电阻的辅助方程。它能处理零单元情 况，也可将场的问题和路的问题同时考虑计 算，特别适台于套管及户外终端直流电场的 计算。 电缆附件的电场计算与优化 电缆附件(终端和中间接头)有两类典型 的电场分布。在充油电缆附件设计中 ，特别应 考虑到纸绝缘切向耐压强度远低于法向耐压 强度 ，增绕绝缘应力锥 曲线平缓。而 XI PE 绝缘电缆的附件，其预制材料的切向及法向 耐压强度相同，结构设计时应优先考虑界面 的电场分布，特别是应该尽量减小切向场强， 如：(1)增强绝缘与电缆绝缘表面的切向场 强 (2)固体与液体介质界面的电场强度； (3)对终端而言，瓷套的电场(如切向场强) 分布的均匀化和电场方向，对于提高内部击 穿及表面闪络 电压特别重要。 终端电场分布不均匀度很大，地电位边 界也不太确定，图2为 u0 kV XI PE电缆终 端 的 电场计算实例。计算 中取低 于安装面 0．5 m的平 面为地 电位，距终端轴线 3 m处 的圆柱面为地电位或 内点(切向场强 E =0) 维普资讯 http://www.cqvip.com ??? www.zhunbiao.com ???? 圆柱的上顶面为内点。经多次计算表明，再扩 大计 算范围对终端本 身 的电场分布影 响甚 微 。 目 型 四 士 螯毒 耄 言 计算区撼 (ham) 图 2 uO kV XLPE电缆户外终端 等位线分布图 计算区域 ：3ooo mm×2500 mm 取值 ：空气 1．0， 瓷套 6．0，XLPE绝缘 2．3，绝缘袖 2．6．檬肢 3．5。边 界拓扑图辅^ 时间 0．5 h；剖分时问 1 rain；计算时 间 1 5 h；打 印辕 出时间 10 m en。节点戥 412O；单元数 8354。 对终端的优化工作集中在下述几方面 ： (1)应力锥的曲线优化使应力锥 内表面 与电缆绝缘的界面切向场强最小 ，因为界面 的切向耐压强度与界面的光洁度和压紧力有 关。较低的切 向场强增加 了安装工艺的宽容 性 ，防止应力锥松弛造成的界面压力下降而 引起沿切向界面的击穿。 (2)应力锥的体积不可能很大，但应使 它与绝缘 浇注剂界面上的场强足够低，这样 即使在绝缘浇注剂老化造成耐压强度下降的 情况下 ，也有足够的耐压安全裕度。 (3)应力锥在瓷套 中的位置对外表面的 电场分布影响很大，从而影响了表面闲络 电 压 ，这一点在 冲击耐压试验中表现明显 更有 意义的是．考虑到瓷套在污秽条件下 ，其表面 污秽会引起电场变化 ，这与型式试验时很 不 相同，为此调整应力锥的位置将明显提高污 秽潮湿情况时的闪络电压。 中间接头的电场局 限在外屏蔽围成的局 部区域 ，但越来越复杂的结构使电场分析显 得更为重要 。如充油电缆塞止盒和预制装配 式 XI PE电缆接头，它们击穿的弱点是在不 同部件构成 的界面，因此在一定的外形尺寸 限制下，调整内部界面形状，使电场分布尽量 均匀，能太大提高击穿电压 下面以图3所示的35 kV橡胶预制式中 间接头为例，说明电场优化的过程。图中内电 极 与线芯连接管相连 ，为高电压 ；应力锥 电极 B及外屏蔽接地。中间接头不仅轴线对 称，而且也以其中点对称，因此计算只要取四 分之一区域，图 4a为其剖分图，扎 为其等位 线图，并人为地控制使高电场医剖分较密。应 力锥电极 B形状 比较简单 ，只要使 MN 段切 向电场较低即可。 电境井屏簟 连接管 内电槛 ^ 线苍 量白孽 电埔 缘 应力锥B 图 3 预制式中间接头及局部 放大结 构图 设计的关键在 内电极端 部，S处场强最 高， 处沿界面的切向场强最大。B 太高则 造成 内电极 向外屏蔽击穿 ，破坏主绝缘{E 太高月 造成沿电缆表面的击穿。实际中的击 穿通道解剖分析证明了这一点 为优化 内电 极形状，我们计算了三种内电极形状的电场 分布。在接头外形尺寸不变情况下 ，改变 内电 极厚度及端部形状， 期得到较低 的 B 及 E ．三种电极的形状及其等位线图分别示刁_ 图 4b、c、d中。三种电极厚度和电场强度 岛 、 E 的数值见表 1，表中数值为终端在 lO0 kV 电压下的电场强度。计算取值时，考虑该中间 接头在型式试验时要番受 4Uo(104 kV)交流 电压 ，该 电场分布反映了交流耐压和冲击耐 压时的电场分布。 · O · J■■- _ _ ， r ‘， 维普资讯 http://www.cqvip.com ??? www.zhunbiao.com ???? 壶釜美0 c) l ： ： 图 4 35 kV电缆中间接头电场计算 剞分及等位线图 表 1 三种内电掘形状的电场强度参数 三种 内电援的戢值 项 目 N“ 1 No．2 N“ 3 内电柱年度(n瑚) 4 6 E(kV／ram) I1． I5 24 I2．05 E (kV／tam) 3．56 3．92 3 55 由表中可看出；No．2结构的内电投太 薄，致使 B 及E 都比较大。增加内电扳厚 度，使内电极端部圆弧半径增加，尽管主绝缘 厚度从 20 ram 减薄至 17mm，最大场强 B 仍然明显下降了，N ．3结构与No．1结构类 似，性能也不差，实际中耍根据制造工艺的可 行性进行取舍。。经过上述优化设计制造的新 产品与 原来 的产 品相 比，击 穿强度 提 高了 30 以上 。 计算结果可以用普通打印机打印出图形 裹 2 电场强度的数值刊裹输出 节点 电垢强度(kV／mm) 坐标位置 (ram) 序号 EE E E 1 7 373"6 7．3736 —0 O02g 30．0000 L7吼 000t 2 7．4035 7 4035 一0．O15E 30 0000 169．1401 3 7．4373 7 4372 一0．0Il[ l68．2901 4 7．4n5 7 4715 一0 0037 30．0000 I67 43Ot 5 7．489I 7．4891 —0．006] 30．0000 I66 570I 6 7．5130 7 5130 一0 0071 30 0000 l65．7l0l 7 7．5516 7．5Sl6 一O 0134 l64 B60《 挂； 为电场强度模量；n 为 方向的电场盏度；五 为 方向的电场强度， 、y为节点的坐标。 ·lO· 及数据，甩x— 绘图仪可绘出更为美观的彩 色图表。表 2是节点电场强度数值打印输出 的一个例子 超高压充油电缆塞止盒、高压电缆终端 及套管大量采用电容锥方式均压，传统的计 算方式不能考虑分散电容的影响，而用该软 件包可方便地处理浮电位金属扳板电场分 析，使设计更为合理 我们进行了塞止盒、高 压电流互感器、GIS盆式绝缘子及污秽情况 下的电缆终端 等多种 电气结 构的电场分析 (具体算例不再一一列出)，均取得了满意 的 结果。 结 论 (1)这种在 PC机上运行的软件包可 自 动剖分，用于边界复杂的电磁场数值计算，电 气设计人员可以自行操作，一次计算在半天 内完成。 (2)应用该软件包对电缆附件进行电场 计算与结构优化，能明显提高产品的电气性 能。 参 考 文 献 1 美 国 MSC替 可．MSC／EMAS有 限元通用 电磁墙 分析软件使用说明 2 劓子玉 电气绝缘结构 与设计(上册)．北京 t机械工 业出版社，l981年 9月． 3 毒肇辱r王馄明 高 压电缆线路．北京：水利电力出 版社 ．1983年 4 F．L．Levin A Uaified Boundary-element F te— element package．IEEE E1．1993．28(2)． 5 H Steiabiglet．Comparative Analysis of Method．q for Computing 2-D and 3-D Electric Fields．IEEE E1．199]r Z6(3)． 6 S Chakravorti and P K．Mukherj~．Power Fre— quency and Impulse Field Calculation arour~d a HV I~sula— tot州 th UnF0rm oi"Nonuniform $urf e Pollution．fEEE EI．I993，280 )． ⋯ 维普资讯 http://www.cqvip.com ??? www.zhunbiao.com ????