1 前言

     隨著海洋經(jīng)濟(jì)的興起，海島與大陸聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)以及海上石油天然氣的開采，復(fù)合海纜的應(yīng)用越來越廣泛，承擔(dān)著海島及采油平臺(tái)間的動(dòng)力傳輸，其安全可靠性及運(yùn)行潛力是用戶關(guān)注的基本要素，其中導(dǎo)體的載流量為用戶發(fā)揮海纜運(yùn)行潛力、科學(xué)調(diào)度提供直接依據(jù)。

      電纜載流量是在規(guī)定條件下，導(dǎo)體能夠連續(xù)承載而其穩(wěn)定溫度不超過規(guī)定值的最大電流值，載流量的大小受導(dǎo)體及電纜絕緣材料的材質(zhì)，環(huán)境溫度，熱阻系數(shù)，允許最高連續(xù)工作溫度等因素制約。載流量設(shè)計(jì)到輸電線路的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及電纜壽命等問題，是電纜運(yùn)行的重要基本參數(shù)。

      目前國際上通用的載流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為國際電工委員會(huì)制訂的IEC-60287標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過多年的修改和增補(bǔ)，該標(biāo)準(zhǔn)基本趨于完善，但對(duì)一些特殊結(jié)構(gòu)電纜或復(fù)雜鋪設(shè)條件下的電纜載流量該標(biāo)準(zhǔn)仍需要實(shí)驗(yàn)解決，因?yàn)橐恍﹨?shù)取值具有不確定性，如：

      電纜結(jié)構(gòu)材料有關(guān)的參數(shù)；

      環(huán)境條件有關(guān)的參數(shù)，其數(shù)值變化范圍較大，取決于電纜鋪設(shè)條件；

      來自于制造商和用戶之間協(xié)商的參數(shù)，包括電纜運(yùn)行安全閾值和運(yùn)行狀況，例如最高導(dǎo)體溫度。

      此外，對(duì)于直接埋地、管道、溝槽或鋼管中鋪設(shè)的電纜，鑒于土壤的水分遷移其熱阻系數(shù)會(huì)發(fā)生巨大的變化，為了準(zhǔn)確的計(jì)算電纜在特定環(huán)境條件下的載流量，選取相應(yīng)參數(shù)數(shù)值時(shí)需特別加以考慮。

      因此，IEC-60287標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際只能滿足簡單環(huán)境條件下的載流量計(jì)算，當(dāng)電纜實(shí)際敷設(shè)環(huán)境不同于其設(shè)定的基準(zhǔn)參數(shù)值時(shí)，需要通過大量試驗(yàn)來確定相應(yīng)的校正系數(shù)，存在一定的局限性，且IEC-60287中并沒有提及光電復(fù)合海纜載流量的計(jì)算方法。

     

     電纜載流量計(jì)算公式是根據(jù)電纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)所形成的熱物理溫度場微分方程的求解而得。根據(jù)電纜用于交流系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)以及敷設(shè)方式的不同，載流量的計(jì)算公式也有所不同。此外，當(dāng)空氣中敷設(shè)時(shí)又有直接受陽光照射和不受陽光照射之分。土壤中敷設(shè)時(shí)當(dāng)電纜表面溫度超過50℃時(shí)周圍土壤發(fā)生水分遷移而引起土壤局部干燥，其載流量計(jì)算公式也不同。

      由此可以看出實(shí)際電纜載流量的計(jì)算過程是非常復(fù)雜煩瑣的。到目前為止，我國沒有完整的結(jié)合地理和氣象條件而制訂的基準(zhǔn)載流量資料。

      載流量的定義決定其數(shù)值與導(dǎo)體溫度息息相關(guān)，而海纜是否正常工作也可以通過其中導(dǎo)體的溫度場反映出來，但是，由于其特殊的鋪設(shè)環(huán)境，無法人工進(jìn)行檢測。

      大型通用CAE軟件ANSYS能夠?qū)醾鲗?dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種傳熱方式進(jìn)行很好的溫度場CAE仿真計(jì)算，因此，可以通過該軟件建模，模擬復(fù)合海纜的發(fā)熱過程，得到其溫度場分布。從而推算出電纜在特定條件下的載流量數(shù)據(jù)。

2 復(fù)合海纜結(jié)構(gòu)模型

2.1計(jì)算模型

    本工程計(jì)算模型包括復(fù)合海纜電纜模型和埋設(shè)環(huán)境兩部分。

2.1.1復(fù)合海纜建模

    復(fù)合海纜結(jié)構(gòu)參數(shù)由施工方提供，具體結(jié)構(gòu)如下：

          

      為便于進(jìn)行溫度場分析及節(jié)約計(jì)算時(shí)間，將模型幾何結(jié)構(gòu)簡化為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。雖然導(dǎo)體為立體結(jié)構(gòu)，但由于各截面幾何結(jié)構(gòu)及材料屬性均勻，因此，采用復(fù)合海纜截面建立二維模型。

2.1.2埋設(shè)環(huán)境建模

      本工程海纜部分埋設(shè)環(huán)境包括海床、潮間帶淤泥質(zhì)灘涂、土壤直埋和電纜溝四種。其中，前三種需將埋設(shè)環(huán)境作為模型的一部分。

      導(dǎo)體通電后熱輻射會(huì)對(duì)周圍環(huán)境溫度產(chǎn)生影響，目前通用的為上下左右各20米建立矩形土壤模型，這樣的邊界溫度基本不受導(dǎo)體生熱影響，但考慮到實(shí)際設(shè)備的測溫精度及計(jì)算時(shí)間，本工程土壤模型的矩形尺寸由不同的埋設(shè)深度決定。

2.2建模基本假設(shè)

      在建模時(shí)需做一定假設(shè)：

     （1）假設(shè)計(jì)算模型在高度和寬度范圍內(nèi)土壤及環(huán)境溫度均勻；

     （2）忽略各幾何結(jié)構(gòu)相互之間的導(dǎo)熱熱阻；

     （3）假設(shè)復(fù)合海纜材料均勻，土壤熱屬性均勻；

     （4）導(dǎo)體電阻率不隨溫度變化。

2.3計(jì)算模型中邊界條件的確定

2.3.1參數(shù)確定

      復(fù)合海纜各材料屬性及埋設(shè)環(huán)境土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)都會(huì)對(duì)模型最終的溫度場分布產(chǎn)生重要影響。

      其中，復(fù)合海纜自身材料屬性基本固定不變，可以在建模時(shí)直接進(jìn)行設(shè)置；但是，土壤會(huì)隨著導(dǎo)體熱輻射而產(chǎn)生水分遷移現(xiàn)象，產(chǎn)生水分遷移后的土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)是產(chǎn)生水分遷移前自然土壤的2到4倍，如果使用單一土壤模型，則計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。工程實(shí)際中對(duì)于直埋和潮間帶淤泥質(zhì)埋設(shè)一般采用回填0.2m厚沙土的方法，回填的厚沙土干燥情況下熱傳導(dǎo)系數(shù)基本穩(wěn)定為0.5W/m2℃，因此，本工程參考這一做法，在復(fù)合海纜與埋設(shè)土壤之間建立回填厚沙土模型。

3 基于ANSYS的有限元模型仿真

3.1模型建立

     （1）定義單元類型：2維8節(jié)點(diǎn)熱實(shí)體單元，2維4節(jié)點(diǎn)熱單元(PLANE55)的高階版本，作為平面單元或軸對(duì)稱環(huán)單元，用于2維熱傳導(dǎo)分析。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)自由度——溫度；

     （2）定義材料屬性：從導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度三個(gè)方面定義個(gè)材料屬性參數(shù)；

     （3）幾何建模

     （4）劃分網(wǎng)格：確定網(wǎng)格劃分等級(jí)，自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

      生成模型如下圖所示：

          

3.2求解

     （1）定義分析類型：穩(wěn)態(tài)熱分析；

      （2）施加載荷和邊界條件：

       溫度—將確定的溫度施加到模型的特定區(qū)域；

       對(duì)流—模擬平面和周圍流體之間的熱量交換；

       熱生成率—代表體內(nèi)生成的熱，單位體積內(nèi)的熱流率；

      （3）運(yùn)算求解

3.3數(shù)據(jù)查看記錄

      （1）等溫圖結(jié)果如下圖所示：

          

      （2）數(shù)據(jù)列表顯示：具體的導(dǎo)體與光纖之間的溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系。

           

4 載流量計(jì)算

       在3.2求解第二步施加載荷中，熱生成率由公式p=I2r得到，其中，通過調(diào)整導(dǎo)體通電電流，可以得到對(duì)應(yīng)的熱生成率，不同的熱生成率在ANSYS運(yùn)算中生成不同的導(dǎo)體溫度，使其最接近載流量所規(guī)定溫度的電流值即為當(dāng)前環(huán)境條件下復(fù)合海纜的載流量。

5 結(jié)論

       運(yùn)用CAE軟件——ANSYS對(duì)復(fù)合海纜進(jìn)行建模運(yùn)算，可以深入地了解復(fù)合海纜在不同的埋設(shè)環(huán)境下的溫度場分布，通過導(dǎo)體溫度與光纖溫度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由BOTDA測得光纖溫度可以間接得到導(dǎo)體溫度，從而完成對(duì)復(fù)合海纜運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。利用其強(qiáng)大的仿真計(jì)算能力，可以方便快捷地得到導(dǎo)體電流與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而求解出不同邊界條件下的復(fù)合海纜載流量數(shù)據(jù)。