基于ANSYS的直流單芯海纜熱場分析

      本文對海底電纜的熱場進行分析，通過ANSYS APDL建模分析，建立了二維模型，模擬了電纜的熱場分布。

1 序言

      隨著海洋經濟的蓬勃發展，海底交聯聚乙烯（XLPE）電纜得到了廣大的推崇。海底電纜運行中導體溫度的準確測量涉及到輸電線路的安全可靠、經濟合理運行及海纜的壽命等問題。除此之外，隨著國際化商業合作的項目越來越多，許多在電纜在國外海域進行工程敷設時，尤其是在與眾多發達國家合作中，他們格外重視海纜正常運行時的發熱對海洋生物及環境的影響。所以，分析海纜及周圍環境的熱場分布，一方面，不僅可以避免導體溫度過高導致絕緣材料壽命縮短，還可以防止導體運行溫度過低帶來的載流量低效利用；另一方面，對國際海洋保護更是必不可少的重要組成部分，是海底電纜工程發展的必然趨勢。

 注：本人對于ANSYS熱場分析目前處于入門階段，所分析的過程和結果不一定完全正確，如有錯誤之處，敬請各位前輩指點！

2 模型參數

      本次我針對一款400kV 1600mm^2的單芯海纜，材料及結構從里到外分別是阻水導體、繞包導體屏蔽、擠包導體屏蔽、XLPE絕緣、絕緣屏蔽、半導電阻水層、鉛套、內護層、內襯層、光纜及填充層、綁扎層、鎧裝層、外被層。

      海纜的敷設條件為，埋深3m，極間距20m。

      海纜的實際模型如圖一，加上土壤之后的實際建模如圖二。

                                                                   圖一 電纜實際模型

                                                                圖二 整體實際建模

                                              （土壤：30m*8m，極間距20m，埋深3m）

         邊界條件：根據電纜的電壓等級和計算得到的載流量，給電纜施加的生熱率為Q=14500W/m^3，上層海床溫度為25℃，下層土壤溫度為20℃，海纜兩邊的土壤長5m，因此設置左右土壤熱流為0。

3 分析結果

      海纜在正常運行情況下，電纜導體的溫度最高為70.5℃。根據工程實際，電纜在正常運行時導體溫度在70℃左右，因此，此時電纜設計符合要求。

                                                                     圖三  整體溫度云圖

                                                           圖四 一極電纜的溫度云圖