基于石墨粉体注入的高压电缆缓冲层修复效果仿真方法与流程

1.本发明属于高压电技术领域，尤其是基于石墨粉体注入的高压电缆缓冲层修复效果仿真方法。


背景技术：

2.城市供电系统中，重要高压线路的安全、可靠、合理运行对确保电网的安全生产至关重要。110kv及220kv高压电缆是城市输电网络的重要干线，保障其安全可靠性一直是电力生产运营单位的重要工作，一旦上述线路发生故障，轻则造成供电中断，引发重大经济损失，重则引起社会公共秩序混乱，严重影响城市安全稳定。目前，城市在运高压电缆线路中普遍存在缓冲层电气性能缺陷，在复杂的运行环境下其可能发生放电、烧蚀等现象，造成绝缘屏蔽损伤，严重时可能发展为击穿故障。为了消除在运电缆缓冲层的“存量”缺陷隐患目前已有研究人员提出基于石墨粉体注入的方式提高电缆缓冲层与铝护套间的接触效果，提升二者间电导率从避免电缆缓冲烧蚀故障的发生，但目前对于该修复方法技术尚未成熟，注入参数包括注入压力、石墨粉体粒径的选取缺少指导依据，同时对于石墨粉体在缓冲层与铝护套间的扩散规律尚不清楚。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出基于石墨粉体注入的高压电缆缓冲层修复效果仿真方法，能够对修复后缓冲层石墨粉体扩散均匀性及扩散距离进行评估，对电缆修复工作有重要意义，同时能够通过仿真手段指导工程现场注入过程，以提高修复效果。
4.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
5.基于石墨粉体注入的高压电缆缓冲层修复效果仿真方法，包括以下步骤：
6.步骤1、根据220kv高压电缆皱纹铝护套的结构和参数建立220kv高压电缆皱纹铝护套三维仿真模型；
7.步骤2、设置注入压力及石墨粉体粒径仿真参数；
8.步骤3、根据标准k-ε湍流方程和石墨粉体受力方程，建立石墨粉体扩散控制方程，将步骤2设置的仿真参数带入体扩散控制方程，并将步骤1的三维模型作为计算域进行迭代求解，得到不同注入压力及不同粒径下石墨粉体扩散附着效果。
9.而且，所述步骤1中220kv高压电缆皱纹铝护套的结构和参数包括：皱纹铝护套呈螺旋结构，具有规则截距和轧纹深度，从轴向截面看其轮廓为正弦波形，波纹峰值间距为3cm，轧纹深度为5mm。
10.而且，所述步骤1中建立220kv高压电缆皱纹铝护套三维仿真模型包括以下步骤：
11.步骤1.1、绘制轧纹深度与波纹铝护套总长度参考基准线；
12.步骤1.2、将轧纹深度参考基准线绕波纹铝护套绘制总长度参考线旋转形成螺旋曲面，并且旋转间距为3cm；
13.步骤1.3、获取步骤1.2中螺旋曲面表面参数化螺旋线，并在螺旋线起点处绘制直径102mm的圆；
14.步骤1.4、将步骤1.3中绘制的圆作为螺旋曲面的扫描实体，波纹铝护套绘制总长度参考线作为扫描方向，曲面表面参数化螺旋线作为扫描路径，得到皱纹铝护套模型三维仿真模型。
15.而且，所述步骤3中建立的石墨粉体扩散控制方程分为连续相控制方程及离散相控制方程。
16.而且，所述连续相控制方程为：
[0017][0018][0019][0020][0021][0022]
其中，ρ为流体密度、u为速度、k为湍流动能、l为管道特征长度、f为体积力、g为重力加速度、ε为湍流耗散率、μ流体动力粘度、为梯度运算符号、u
t
为湍流动力粘度、为速度梯度、σk为为湍流动能方差残差、pk为湍流动能源项、σ
ε
为湍流耗散率方差残差、为湍流耗散率梯度、c
ε1
为和c
ε2
为方程线性源项系数。
[0023]
而且，所述离散相控制方程为：
[0024][0025][0026][0027][0028]
其中，m
p
为、v为、fd为粒子与流体间的曳力、fg为粒子所受重力，fd与颗粒相与流体相的相对速度及粒子迎风面积相关，m
p
为粉体质量，u’为石墨颗粒运动速度矢量，τ
p
为粒子速度响应时间，v表示流场速度矢量、d
p
粉体粒径、μ为流体动力粘度、k为湍流动能、ξ为不相关单位方差高斯数矢量、ρ
p
为粒子密度。
[0029]
而且，所述步骤3中将三维仿真模型作为计算域并基于上述方程中进行迭代求解，得到不同注入压力及不同粒径下石墨粉体在计算域中的扩散附着效果包括以下步骤：
[0030]
步骤3.1、将步骤1中建立的三维仿真模型导入至仿真软件；
[0031]
步骤3.2、根据步骤2中的压力和参数对三维仿真模型的仿真参数进行设置；
[0032]
步骤3.3、选择仿真软件的湍流k-ε模块用于流场速度分布计算，并将计算结果带入仿真软件的流体流动颗粒追踪模块用于计算分体颗粒运动轨迹；
[0033]
步骤3.4、对三维仿真模型的模拟边界条件进行设置；
[0034]
步骤3.5、对三维仿真模型进行网格划分；
[0035]
步骤3.6、通过对三维仿真模型迭代求解计算得出不同注入压力及不同粒径下石墨粉体扩散附着效果。
[0036]
本发明的优点和积极效果是：
[0037]
本发明根据220kv高压电缆皱纹铝护套的结构和参数建立220kv高压电缆皱纹铝护套三维仿真模型，将需要注入压力和石墨粉体粒径仿真设置参数带入建立的三维仿真模型中；根据标准k-ε湍流方程和石墨粉体受力方程，建立石墨粉体扩散控制方程，得到不同注入压力及不同粒径下石墨粉体扩散附着效果。本发明通过模拟实际电缆缓冲层修复过程中石墨粉体的扩散过程，可对修复后缓冲层石墨粉体扩散均匀性及扩散距离进行评估，对电缆修复工作有重要意义，同时能够通过仿真手段指导工程现场注入过程，以提高修复效果。
附图说明
[0038]
图1为220kv高压电缆结构示意图
[0039]
图2为本发明绘制轧纹深度与波纹铝护套总长度参考基准线示意图；
[0040]
图3为本发明生成螺旋曲面示意图；
[0041]
图4为本发明螺旋曲面表面参数化螺旋线示意图；
[0042]
图5为本发明螺旋曲面表面参数化螺旋线起点处绘制直径102mm圆的示意图；
[0043]
图6为本发明皱纹铝护套三维仿真模型示意图；
[0044]
图7为本发明电缆修复过程中石墨粉体扩散仿真结果示意图。
具体实施方式
[0045]
以下结合附图对本发明做进一步详述。
[0046]
基于石墨粉体注入的高压电缆缓冲层修复效果仿真方法，包括以下步骤：
[0047]
步骤1、根据220kv高压电缆皱纹铝护套的结构和参数建立220kv高压电缆皱纹铝护套三维仿真模型。
[0048]
如图1所示，220kv高压电缆皱纹铝护套的结构和参数包括：皱纹铝护套呈螺旋结构，具有规则截距和轧纹深度，从轴向截面看其轮廓为正弦波形，波纹峰值间距为3cm，轧纹深度为5mm。
[0049]
如图2、图3、图4、图5、图6所示，建立220kv高压电缆皱纹铝护套三维仿真模型包括以下步骤：
[0050]
步骤1.1、绘制轧纹深度与波纹铝护套总长度参考基准线；
[0051]
步骤1.2、将轧纹深度参考基准线绕波纹铝护套绘制总长度参考线旋转形成螺旋曲面，并且旋转间距为3cm表示皱纹铝护套波纹螺距；
[0052]
步骤1.3、获取步骤1.2中螺旋曲面表面参数化螺旋线，并在螺旋线起点处绘制直径102mm的圆，该圆代表铝护套皱纹纵向断面内壁；
[0053]
步骤1.4、将步骤1.3中绘制的圆作为螺旋曲面的扫描实体，波纹铝护套绘制总长度参考线作为扫描方向，曲面表面参数化螺旋线作为扫描路径，得到皱纹铝护套模型三维仿真模型。
[0054]
步骤2、设置注入压力及石墨粉体粒径仿真参数。
[0055]
步骤3、根据标准k-ε湍流方程和石墨粉体受力方程，建立石墨粉体扩散控制方程，将步骤2设置的仿真参数带入体扩散控制方程，并将步骤1的三维模型作为计算域进行迭代求解，得到不同注入压力及不同粒径下石墨粉体扩散附着效果。
[0056]
建立的石墨粉体扩散控制方程分为连续相(流体)控制方程及离散相(石墨粉体)控制方程。其中，连续相控制方程为：
[0057][0058][0059][0060][0061][0062]
其中，ρ为流体密度、u为速度、k为湍流动能、l为管道特征长度、f为体积力、g为重力加速度、ε为湍流耗散率、μ流体动力粘度、为梯度运算符号、μ
t
为湍流动力粘度、为速度梯度、σk为为湍流动能方差残差、pk为湍流动能源项、σ
ε
为湍流耗散率方差残差、为湍流耗散率梯度、c
ε1
为和c
ε2
为方程线性源项系数。
[0063]
离散相控制方程为：
[0064][0065][0066][0067][0068]
其中，m
p
为、v为、fd为粒子与流体间的曳力、fg为粒子所受重力，fd与颗粒相与流体相的相对速度及粒子迎风面积相关，m
p
为粉体质量，u’为石墨颗粒运动速度矢量，τ
p
为粒子速度响应时间，v表示流场速度矢量、d
p
粉体粒径、μ为流体动力粘度、k为湍流动能、ξ为不相关单位方差高斯数矢量、ρ
p
为粒子密度。
[0069]
将三维仿真模型作为计算域并基于上述方程中进行迭代求解，得到不同注入压力及不同粒径下石墨粉体在计算域中的扩散附着效果包括以下步骤：
[0070]
步骤3.1、将步骤1中建立的三维仿真模型导入至仿真软件；
[0071]
步骤3.2、根据步骤2中的压力和参数对三维仿真模型的仿真参数进行设置；
[0072]
步骤3.3、选择仿真软件的湍流k-ε模块用于流场速度分布计算，并将计算结果带入仿真软件的流体流动颗粒追踪模块用于计算分体颗粒运动轨迹；
[0073]
步骤3.4、对三维仿真模型的模拟边界条件进行设置；
[0074]
步骤3.5、对三维仿真模型进行网格划分；
[0075]
步骤3.6、通过对三维仿真模型迭代求解计算得出不同注入压力及不同粒径下石墨粉体扩散附着效果。
[0076]
如图7所示，得到电缆修复过程中石墨粉体扩散仿真结果示意图，通过模拟实际电缆缓冲层修复过程中石墨粉体的扩散过程，可对修复后缓冲层石墨粉体扩散均匀性及扩散距离进行评估，对指导电缆修复工作有重要意义。
[0077]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。