基于COMSOL Multiphysics的OPGW耐雷性能分析与仿真.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()湖北省自然科学基金项目()第一作者简介:王书范()男硕士研究生主要从事电力电子与电力传动的研究通信作者:廖红华()男博士教授主要从事电力电子与电力传动、嵌入式系统及微型全分析系统等的研究文章编号:():././.基于 的 耐雷性能分析与仿真王书范王 诚谢 蓉宋 坤梁会军廖红华(湖北民族大学 智能科学与工程学院湖北 恩施)摘要:为了研究光缆结构的改变对光纤复合架空地线()雷击断股的影响应用 软件对其雷击点局部进行仿真通过施加不同大小的雷击电流、分量以及改变架空地线的结构对光纤复合架空地线进行雷击断股特性分析 结果表明:雷击电流的、分量中 分量的破坏性最强 分量破坏性最弱、分量同时作用时产生的最高温度高于单独 分量作用的结果 外股层半径每增加.仿真结果最高温度下降约 外股导线半径每增加.仿真结果最高温度下降约 仿真结果为优化光纤复合架空地线结构参数、提升耐雷性能提供了理论支撑关键词:断股雷击电流外股层半径外股导线半径中图分类号:文献标志码:():().:光纤复合架空地线()既可以为输电导线的防雷击起屏蔽保护作用又可以通过复合在地线中的光纤起传递信号作用 由于其机械强度和耐雷性能良好在国内外发展前景广泛 架设位置高于普通输电线因此雷击导致的断股故障时有发生对电力系统的安全运行构成极大威胁 架空输电线路运行是否正常对电力系统可靠、安全、经济地运行起到至关重要的作用 因此研究光纤复合架空地线的雷击断股问题有助于提高 的耐雷性能保证电力系统安全可靠平稳运行国内外学者针对光纤复合架空地线的安全运行做了大量的相关研究对环境因素、热效应、趋肤效应的影响等进行了综合考虑 等使用 种不同的电弧模拟高能量雷击的直流电弧放电引起 绞线的熔断特性得出与实验结果相近的模拟结果 等建立 雷击三维热电耦合模型计算了雷击状第 卷第 期 湖北民族大学学报(自然科学版).年 月 ().态下的 每根导线的融化面积以及温度 周蜜等使用雷击电流的、分量分别单独作用于碳纤维增强聚合物板揭示了这 种雷击分量的雷击损伤机理 孙伟等对雷击点局部进行有限元仿真实验验证了转移电荷的大小是决定断股程度的主要原因还对雷击电流 分量单独作用和连续雷击电流、分量作用下的 断股特性进行分析但并未研究、分量同时作用时的结果 等通过对雷击电流、分量的仿真验证了 分量的破坏性远小于 分量 张长秀等通过实验分析了油气管道在雷击电流 分量下的损伤特征验证了雷击电流 分量是造成雷击管道烧蚀穿孔的主要原因 等将 个雷击电流分量分别单独作用于 其中雷击电流的 分量的破坏性最强、个分量只对外层造成轻微破坏雷击断股损伤程度主要取决于转移电荷的大小 在以往的研究中大多只重点关注雷击电流 分量对 的影响忽视了雷击电流的、分量以及 自身结构参数变化对其耐雷性能的影响 针对此问题论文在研究雷击电流分量的同时改变 的结构参数以此研究雷击电流、分量以及结构参数对 耐雷性能的影响相较其他仿真软件 使所有的材料参数都可以自由地定义为任意物理量的函数可研究多个物理场同时作用产生的结果 因此采用 软件进行仿真分析使用焦耳热模块模拟雷击电流的、分量并进行分析和计算还通过改变外股层半径以及外股导线半径对雷击造成的 断股损伤结果进行分析以供今后研究光纤复合架空地线的耐雷能力时作为参考图 简化模型.光纤复合架空地线仿真模型的构建.模型构建在 软件中建立 的三维仿真模型电缆结构参考 使用中心套管模型模型外层为 根铝包钢内层为 根铝包钢和 根空心钢管空心钢管内部填充光纤单元中心由 根铝包钢作为支撑在原点处注入雷击电流 将外层导线半径设置为.内层导线半径设置为.铝包层的厚度 设置为.电缆中心半径设置为.外层导线层半径 设置为.在 软件中建立 简化模型如图 所示.雷击电流的、分量雷击电流的、分量表达式为(/)(/)/()(/)(/)/()式()()中:为雷击电流分量最大值单位为 为电流分量最大值的校正系数 为电流作用持续时间单位为 为波头时间单位为 为半值时间单位为 雷击电流的 分量为瞬时脉冲分量最大值为 累计作用量为()其脉冲宽度在 以下上升时间在 以上波头时间和半值时间无具体要求 故采用标准雷击电流/充当雷击电流的 分量 其中.对于雷击电流的 分量其中.雷击电流的 分量 出现雷击断股现象的主要原因是雷击电流的 分量而转移电荷的多少决定了其后果的严重程度 雷击电流的 分量可被近似视作 个方波其作用时间接近.由电荷转移公式 可求得电流 在数值上与电荷 为 倍的关系 由于电弧的维持电压较低因此取阴阳极(将雷击点设置为阳极将雷击点对侧 底面设置为阴极)的电压降为 将雷击电流的 分量产生的能量以点热源的形式注入 边缘由阴阳极的电压降 与转移电荷 的乘积求得雷击电弧注入的能量其公式为 ()式()中:为雷击电弧注入能量单位为 为阴阳极电压降单位为 为转移电荷单位为 为雷第 期 王书范等:基于 的 耐雷性能分析与仿真 击电流 分量的大小单位为 为电弧作用时间单位为 图 热流密度等效的高斯函数.雷击电弧热源 的雷击点温度呈现不均匀的中间高边缘低、由中心向外均匀扩散分布的特点 因此可用 个高斯函数近似等效雷击点周围的热量密度分布如图 所示距离雷击点中心任意一点的热流密度 为 (/)(/)()式()中为雷击点最大的热流密度单位为/为电弧加热有效半径单位为 为距离雷击点中心的距离单位为 表 单一雷击电流分量对 耐雷性能的影响.雷击电流分量雷击电流分量大小/最高温度/最高温度相对偏差/备注.分量.基准值.基准值 分量.分量.基准值.仿真结果分析.各种因素对 耐雷性能的影响.单一雷击电流分量 将雷击电流的、分量施加在 外股层的边缘通过改变、分量的大小来研究单一雷击电流分量对 耐雷性能的影响 单一雷击电流、分量作用条件下温度变化结果如图 所示 ()分量 ()分量 ()分量图 不同雷击电流分量作用条件下的温度变化.不同大小单一雷击电流分量对 作用后的最高温度及其相对偏差如表 所示 其中 分量以 为基准大小 分量以.为基准大小 分量以 为基准大小由表 可知雷击电流 分量单独作用于 产生的最高温度约为 远超过雷击电流、分量的作用结果 这是由于雷击电流 分量的作用时间仅为 雷击电流 分量的作用时间仅为.而雷击电流 分量的作用时间长达.因此雷击电流的 分量对 的破坏性最强 对雷击电流的 分量电流大小每增加 温度升高约 对雷击电流的 分量电流大小每增加.温度升高约 对雷击电流的 分量电流大小每增加 温度升高约 整体来说随着电流分量电流大小的增加最高温度呈上升趋势.多重雷击电流分量 将雷击电流的、分量同时施加在 外股层的边缘固定 分量大小不变通过改变 分量的电流大小来研究多重雷击电流分量对 耐雷性能的影响 多重雷击电流的、分量作用条件下温度随时间变化的结果如图 所示不同大小多重雷击电流分量对 作用后的最高温度及其相对偏差如表 所示 其中以 分量 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷 为基准大小 分量固定.不变图 多重雷击电流分量作用条件下温度变化结果.由表 可知当多重雷击电流分量同时施加于 外股层的边缘时雷击电流的 分量电流幅值每增加 温度升高约 温度相对偏差增加约.整体来说随着 分量电流大小的增加最高温度呈上升趋势表 多重雷击电流分量对 耐雷性能的影响.分量大小/分量大小/最高温度/温度相对偏差/备注.基准值.外股层半径将电流大小为 的雷击电流 分量施加在 外股层的边缘改变外股层半径的值以此研究 的雷击断股结果 外股层半径为.、.、.时 的温度分布云图如图 所示().().().图 不同外股层半径条件下 的温度分布云图.表 外股层半径对 耐雷性能的影响.外股层半径/最高温度/温度相对偏差率/断股情况备注.断 股紧邻两股损伤.断 股紧邻两股轻微损伤.断 股紧邻两股轻微损伤基准值 由图 可知不同外股层半径条件下 截面上的温度分布大致相同断股损伤情况随着外股层半径的增大而逐渐减小外股层半径为.、.、.时的 的三维温度分布图如图 所示().().().图 不同外股层半径条件下 的三维温度分布图.由图 可知不同外股层半径条件下 三维温度分布大致相同雷击点的最高温度随着外股层半径的增大而逐渐减小进一步分析对其最高温度、温度相对偏差率以及断股情况进行统计如表 所示由表 可知 截面温度分布基本相同 随着外股层半径增加最高温度 由 下降至 最高温度呈下降趋势外股层半径每增加.最高温度下降 温度相对第 期 王书范等:基于 的 耐雷性能分析与仿真 变化.断股损伤程度也在逐渐减轻 因此在 耐雷实验过程中在一定范围内外股层半径越大最高温度 越低 的断股损伤程度越小耐雷性能会越强.外股导线半径仿真使用电流大小为 的雷击电流 分量作用于 外层边缘改变外股导线的半径以此研究 的雷击断股结果 外股导线半径为.、.、.时的 温度分布云图如图 所示().().().图 不同外股导线半径条件下 的温度分布云图.由图 可知不同外股导线半径条件下 截面上的温度分布大致相同断股损伤情况随着外股导线半径的增大而逐渐减小外股导线半径为.、.、.时的三维温度分布图如图 所示().().().图 不同外股导线半径条件下 的三维温度分布图.由图 可知不同外股导线半径条件下 三维温度分布大致相同雷击点的最高温度随着外股导线半径的增大而逐渐减小进一步分析对其最高温度、温度相对偏差率以及断股情况进行统计如表 所示表 外股导线半径对 耐雷性能的影响.外股层半径/最高温度/温度相对偏差率/断股情况备注.断 股紧邻 股损伤.断 股紧邻 股轻微损伤基准值.断 股紧邻 股轻微损伤由表 可知 截面温度分布基本相同 随着外股导线半径增加最高温度 由 降低至最高温度下降 温度相对降低了.断股损伤程度也随之降低 因此在 耐雷实验过程中在一定范围内适当增加 的外股导线半径有助于降低雷击时的最高温度增强耐雷性能 结论为研究雷击对光纤复合架空地线断股的影响提高 的耐雷性能使用 仿真软件中的焦耳热模块对于 雷击点进行仿真分析 通过对雷击电流的、分量的仿真发现雷击电流中 分量的破坏性最强、分量同时作用于 外股时产生的最高温度高于 分量单独作用时的温度雷击破坏性更强 通过对 模型结构变化的仿真发现外股层半径每增加.最高温度下降约 外股导线半径每增加.最高温度下降约 由此可知增加外股层半径、外股导线半径可以降低架空地线受雷击后的最大温度减少雷击损伤提高耐雷性能 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷参考文献:孙晋茹焦梓家朱鑫等.光纤复合架空地线雷电损伤模式及影响因素的实验及仿真研究.高电压技术():.():.:.周蜜苏小玮高俊福等.雷电流 分量与 分量对碳纤维复合材料损伤特性差异.电工技术学报(增刊):.孙伟郝斯杰姚学玲等.基于 的连续雷电流分量对 断股分析.电瓷避雷器():./().:.张长秀毕晓蕾刘全桢等.油气管道在雷电流 分量下的损伤特征分析.实验室研究与探索():.().():.:.孙晋茹姚学玲许雯珺等.光纤复合架空地线雷电直接效应的实验研究.西安交通大学学报():./.:.崔弘夏成军杜天苍等.雷击破坏的数值分析及结构优化.高压电器():.():.责任编辑:郑玥雷(上接第 页)胡永金任淑娣王知荣等.毛霉 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