基于有限元的电力电缆缆芯温度预测方法分析

基于有限元的电力电缆缆芯温度预测方法分析

唐开

重庆信科设计有限公司 重庆 401123

摘要：温度是保证电力电缆稳定运行的关键，需要对缆芯温度进行严格控制，构建丰富的有限元分析条件，使缆芯处于有效的温度范围。基于此，本文将从有限元模型、有限元计算、预测模型建立、温度场建模等方面对电力电缆缆芯温度预测方法进行分析，使电力电缆具有良好的参数条件，对缆芯温度进行准确地预测，使电缆能够得到有效地管理。

关键词：电力电缆；缆芯温度；有限元预测

引言：电力电缆对温度控制具有较高要求，应建立有效的温度分析方式，将有限元理论应用到缆芯温度控制中，使电缆具有稳定的供电状态。随着供电压力的逐渐增大，电缆将会伴随着发热的现象，导致电能的损耗增加，进而影响电网的运行状态。因此，做好缆芯温度的预测较为重要，需要严格地进行建模，提高缆芯温度的预测水平。

1电力电缆缆芯温度有限元模型

1.1有限元模型

1.1.1结构参数

电力电缆结构方面具有一定的复杂性，由多种保护结构组成，使电缆能够维持稳定运行的状态。电缆结构包括线芯导体、绝缘层、金属屏蔽层等，这些结构可以对缆芯形成综合保护，但相对地，也会对温度造成影响，影响缆芯的温度变化情况。为了使电缆模型易于分析，需要对其结构模型进行简化，将线芯导体以外的材料视为一个整体，使结构参数的研究更加地便于管理。电力电缆存在轴向温度场的影响，但由于电缆长度远大于外径，因而可以对轴向温度场的影响进行忽略，这样便可以在平面上对温度场进行研究，提高有限元模型分析的准确性^[1]。

1.1.2材料热参数

电力电缆温度预测会受到材料热参数的影响，需要对材料热进行分析，建立完善的材料热分析条件，避免在温度分析方面产生遗漏。影响缆芯温度的材料热参数较多，如绝缘层导热系数、外护套导热系数等，需要将导热系数的影响考虑在内，保障有限元模型材料热参数的稳定性。

1.1.3模型边界条件

电力电缆温度控制具有严格的温度条件，需要做好温度控制工作，建立完善的温度控制条件，提高模型边界控制的合理性。模型边界控制过程较为复杂，需要确定边界的情况，便于对温度变化进行排查，提高温度有限元分析的有效性。在边界条件方面，需要对多种温度状况进行分析，如热流密度、对流热等，使边界条件能够呈现出良好的状态，建立完善的有限元计算方法。边界条件需要根据边界温度函数进行构建，使缆芯的温度有限元模型能够快速地实现，提高边界条件的可靠性。边界条件的温度函数如下：

式中， 为积分边界；t_w为边界温度。

1.2有限元计算

在有限元计算过程中，应对外热源情况进行忽略，针对缆芯自身发热情况进行研究，使有限元得到严格地计算。有限元的计算主要包含以下三个方面：第一，缆芯损耗。电力电缆长时间工作过程中，缆芯将会发生一定程度的损耗，导致缆芯的温度升高，使缆芯处于放热的状态。缆芯损耗计算公式如下：

W_c=I²R

式中，W_c为缆芯损耗；I为缆芯电流；R为缆芯电阻。第二，绝缘介质损耗。绝缘介质损耗是不可避免的，尤其是在交变电压的作用下，将会导致缆芯温度的增加。绝缘介质损耗计算公式如下：

式中，W_d为绝缘介质损耗；U₀为相电压；tanδ为损耗系数。第三，金属护套损耗。金属护套的损耗与接地方式有关，需要建立完善的环流条件，提高损耗分析的严格性。金属护套损耗计算公式如下：

式中，Q_i为金属护套损耗；I为有效电流；ρ_i为电阻率；r_i为有效半径。

2电力电缆缆芯温度有限元预测方法

2.1预测模型建立

对缆芯温度进行预测时，需要通过预测模型进行分析，提高温度预测的准确性。预测模型的建立具有一定的难度，为了提高预测模型的精确度，需要注重BP神经网络的构建，对缆芯温度进行全面地分析。缆芯温度是在综合因素影响下的共同结果，需要建立完善的BP神经网络节点，构建有效的输入输出形式，保障有限元样本能够顺利地完成采集。在预测过程中，每个时间T对样本进行一次采集，采集到的样本为X₁、X₂、…、X_i，将X₁-X_i作为输入变量，对下一时间点的缆芯温度进行预测，得到X_i+1的预测温度值，进而完成预测模型的建立^[2]。

2.2具体预测步骤

预测步骤主要包含以下几个方面：第一，建立温度场模型，结合电缆的有限元模型进行分析，提高模型分析的可靠性，使温度场模型能够得到正确应用。第二，采集缆芯样本数据，获得温度场的变化情况，获得准确的温度采集结果。第三，数据预处理。对缆芯温度做好汇总工作，建立完善的缆芯形式，明确预测模型的输入输出变量。其中，输入变量为X={X₁，X₂，…，X_i}，输出变量为Y={Y₁，Y₂，…，Y_i}。第四，通过BP神经网络对数据进行训练，不断对模型预测精度进行优化，直至温度预测结果接近于实际值。

2.3温度场建模

为了便于对模型进行分析，需要对温度场进行建模，使温度预测能够在二维平面上进行，使温度场能够顺利地完成建模。温度场建模需要对结构参数引起重视，对结构名称及参数值进行分析，提高模型构建的合理性。温度场模型需要包括各个热源生成热的计算，并且生成热源温度场的分布云图，进而更好地了解温度场的分布情况，有助于缆芯温度预测的求解。温度场模型是实现缆芯温度预测的重要方法，需要建立严格的有限元分析形式，提高分析结果的可靠性，使温度场模型能够更好地进行展现。

2.4有限元样本获取

有限元分析需要借助ANSYS软件来实现，便于对有限元参数进行控制和调节，方便有限元样本采集工作的进行。在温度场分布云图中，通过颜色变化来表示温度的高低，对温度由25℃-80℃的温度变化进行探究，当温度较高时，温度场云图颜色将呈现为红色。在有限元样本获取过程中，需要注重电缆缆芯节点的选取，对节点的温度数据进行查询，进而获得有效的缆芯温度值。缆芯导体容易受到不同负荷的影响，需要对不同情况的缆芯温度样本进行采集，保障有限元样本采集的充分性，提高缆芯温度样本的质量。

2.5预测结果分析

对预测结果进行分析非常重要，样本采集工作完成后，需要对预测结果进行严格地分析，对缆芯温度形成有效的预测，避免预测结果产生较大的误差。缆芯温度误差控制具有一定的严格性，误差波动范围应控制在[-0.5，0.5]之间，使预测结果能够趋近于实际值，为预测结果的准确性提供保证。而且，在温度预测过程中，应借助均方误差、平均绝对误差等误差分析方式进行分析，使缆芯温度预测结果能够得到有效地评估，提高预测结果的精准程度。

结论：综上所述，电力电缆缆芯温度的测量具有一定的难度，在缆芯温度分析过程中，需要采用有限元建模的形式，提高缆芯温度分析的准确性，使预测模型更加的可靠，使缆芯温度能够得到精准地预测。通过对缆芯温度的预测，可以对电缆的运行状态进行判断，及时采取有效的解决措施，保障电力电缆运行的安全性。

参考文献：

[1]李哲涵. 电力电缆缆芯温度分布特性及反演间接计算与试验研究[D].重庆理工大学,2021.

[2]姜小舟. 基于光纤Bragg光栅的电力电缆温度在线监测技术的研究[D].沈阳工业大学,2020.