一种基于多敷设工况热学仿真的聚丙烯电缆绝缘层厚度设计方法与流程

本发明属于电力电缆设计，具体涉及一种基于多敷设工况热学仿真的聚丙烯电缆绝缘层厚度设计方法，尤其适用于土壤直埋、排管敷设和隧道敷设三种敷设环境下运行的额定电压110kv聚丙烯绝缘电力电缆的绝缘层厚度优化设计。

背景技术：

1、现有绝缘厚度设计方法存在以下不足：

2、第一，目前聚丙烯电缆的绝缘厚度设计主要参考同电压等级交联聚乙烯电缆的经验数据。根据国家标准gb/t 11017.2《额定电压110kv交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件第2部分：电缆》表2的规定，110kv交联聚乙烯电缆的绝缘标称厚度为16~19mm（具体取决于导体标称截面，例如截面在630mm²~1600mm²范围内时绝缘标称厚度为16mm）。现有的聚丙烯电缆初期研制也大多采用16mm左右的绝缘厚度设计。这种“参照设计”方式未充分利用聚丙烯材料的热学特性进行针对性优化。中国专利公开文本cn118520715a公开了基于等效工况的聚丙烯直流电缆载流量计算方法与系统，通过聚丙烯材料的电老化指数和电气损伤累积量直接计算绝缘层厚度，绝缘层厚度在后续温度场及载流量计算过程中为固定输入参数，温度场计算结果并不参与绝缘层厚度的确定。厚度一旦由电老化确定，热仿真只验算。若验算载流量不达标，只能被动增加导体截面积或更换材料，无法通过调整厚度来优化散热（因为厚度越厚，热阻越大，温升越高）。且其只针对单一典型工况（或简单加权），无法应对宽幅波动负载。

3、第二，电缆在实际工程中可能敷设于土壤直埋、排管、隧道等多种环境。不同敷设方式的散热条件差异显著——以环境热阻排序，通常土壤直埋因土壤导热系数低、散热面受限，散热条件最差；隧道敷设因空气对流散热条件优越，散热条件最好；排管敷设居于两者之间。同一绝缘厚度在不同敷设方式下的温升行为存在明显差异。现有设计方法通常仅按单一最严苛敷设方式校核，未充分利用其他敷设方式下的散热裕度，造成绝缘设计冗余度过大，浪费材料且增大电缆外径。

4、第三，传统绝缘厚度优化设计常需开展大量的电气击穿和机械性能实验以确定安全下限，研发周期长、成本高。

5、因此，亟需一种基于多敷设工况热学仿真数据驱动的绝缘层厚度设计方法，能够综合考量聚丙烯材料的电气特性、现有工程验证结果和工程保守原则，确定一个充分安全的工程绝缘厚度作为设计边界，将研发资源聚焦于热学优化仿真，从而实现快速、低成本的定量化设计。

技术实现思路

1、发明目的：针对背景技术中指出的现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于多敷设工况热学仿真的聚丙烯电缆绝缘层厚度设计方法，从交联聚乙烯基准厚度出发，在由工程安全厚度界定的可行域内，逐次减薄绝缘层，每减薄一次便以绝缘层温度达到限定温度为统一标尺，重新仿真确定该厚度下的最大载流量，通过对比各厚度下载流量的增长幅度及不同敷设方式间的增益差异，确定综合最优的绝缘厚度。

2、技术方案：本发明公开一种基于多敷设工况热学仿真的聚丙烯电缆绝缘层厚度设计方法，包括：

3、s1.获取聚丙烯绝缘材料在工作温度范围内的导热系数，建立导热系数与温度的关系模型；

4、s2. 分别建立土壤直埋、排管敷设和隧道敷设三种敷设方式下的单根聚丙烯电缆热学仿真模型，并利用同等工况下的实验实测载流量及各层温度数据对仿真模型进行验证和修正，使各敷设方式下仿真与实验数据的偏差在预设阈值以内；

5、s3. 以聚乙烯基准绝缘厚度为起点，在由工程安全绝缘厚度和基准绝缘厚度界定的安全可行域内，逐次减薄绝缘层，对每一绝缘厚度采用温度-电流迭代仿真确定其在各敷设方式下使绝缘层温度达到限定温度的最大载流量；

6、s4. 根据载流量随厚度减薄的增益饱和趋势，当减薄带来的载流量增益趋于饱和或厚度触及工程安全绝缘厚度，确定最优绝缘厚度。

7、进一步地，在确定最优绝缘厚度时，还获取各敷设方式对应的最大载流量值、载流量增长幅度及绝缘厚度减薄百分比。

8、进一步地，所述工程安全绝缘厚度范围为8.5mm~16mm。

9、进一步地，所述工程安全绝缘厚度为13mm。

10、进一步地，所述单根聚丙烯电缆模型结构由内向外依次包括：铜导体、半导电包带、导体屏蔽层、聚丙烯绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电阻水膨胀缓冲层、皱纹铝护套和外护套；电缆发热源为导体通流产生的焦耳热。

11、进一步地，步骤s3的具体操作流程为：

12、s31：设定初始绝缘厚度t0，在三种敷设方式仿真模型中设置绝缘层厚度为t0；

13、s32：通过温度-电流迭代仿真，分别确定各敷设方式下使绝缘层最高温度达到限定温度的电流值，记录为各敷设方式下的最大载流量，以此确定该厚度下的统一定义载流量；

14、s33：将绝缘层厚度减小一个步长δt，在三种敷设方式仿真模型中设置对应绝缘层厚度，重新执行温度-电流迭代仿真，确定各敷设方式下使绝缘层温度达到限定温度的新载流量；

15、s34：逐次减小绝缘层厚度，记录每一厚度下对应的载流量；

16、s35：计算每相邻两个厚度之间的载流量增量，当载流量增量相对于上一级增量的衰减幅度超过预设比例，或绝缘厚度已触及工程安全绝缘厚度时，停止迭代，确定最优绝缘厚度topt。

17、进一步地，确定厚度下的统一定义载流量时，以三种敷设方式下使绝缘层最高温度达到限定温度的电流值的最小值作为该厚度下的统一定义载流量。

18、进一步地，所述最优绝缘厚度topt的判据为：在该厚度下，载流量相较于基准厚度t0的提升幅度在8%~12%，且进一步减薄带来的载流量增量低于所述提升幅度。

19、进一步地，所述温度-电流迭代仿真时，在给定绝缘厚度的仿真模型中，从初始电流值开始，逐步增大导体电流载荷，每次求解稳态温度场，直至绝缘层最高温度达到限定温度，且偏差在±1℃以内，所述限定温度设定为110℃。

20、进一步地，所述绝缘层厚度减薄时，仅改变聚丙烯绝缘层厚度参数，铜导体、半导电包带、导体屏蔽层、绝缘屏蔽层、半导电阻水膨胀缓冲层、皱纹铝护套和外护套的厚度均保持不变，仅各层内径尺寸相应减小以匹配减薄后的聚丙烯绝缘层的外径，各层之间形成紧密接触，不产生空隙。

21、有益效果：

22、1、本发明以绝缘层温度达到限定温度（本实施例设置为110℃）为统一标尺，逐次减薄绝缘层并重新求解最大载流量，将“减薄绝缘→降低热阻→提升载流量”这一完整优化链条纳入迭代设计流程，为聚丙烯电缆绝缘减薄提供了定量化的评判依据。

23、2、本发明建立了三种敷设方式下的热学仿真模型，并利用同等工况下的实验实测数据进行双向验证。后续的全部迭代计算均基于这些经过实验验证的可靠模型进行，结果具有较高的工程可信度。

24、3、本发明以同时满足三种敷设方式的温度约束为条件，在确定最大载流量时取各敷设方式中的最小值作为该绝缘厚度下的统一定义载流量，确保电缆在任何敷设环境下均安全运行。

25、4、本发明绝缘厚度的逐次减薄和各厚度下最大载流量的确定完全在仿真环境中完成，无需制造多种厚度规格的电缆样品并分别进行载流量温升实验，大幅降低了研发成本和试验周期。

26、5、本发明通过多工况对比仿真，能定量揭示绝缘减薄对载流量的提升幅度在不同敷设方式下的显著差异，在散热条件最差的土壤直埋下提升幅度最大，这一发现能为混合敷设的长距离线路提供更精准的输电容量瓶颈解决方案，工程适配性更强。