基于有限元的高速铁路馈线电缆护层感应电压及环流分析

摘要

随着我国高速铁路快速发展，我国高速铁路运营里程稳居世界高铁里程榜首，安全问题在实际运行中尤为重要。目前，我国高速铁路主要采用AT供电方式，馈线电缆是将电能从牵引变电所传送至接触网的重要电能传输通道，而采用交流27.5kV单芯交联聚乙烯电缆可以满足高速铁路牵引力和载流量大的要求。当交变的牵引电流通过馈线电缆时，馈线电缆的金属护层上会产生感应电压，感应电压值过高就会对电缆的安全运行造成危害，甚至会对检修工作人员的人身安全造成威胁;同时在电缆金属护层与大地相连为回路时会因此产生环流，既造成能量损失，也会造成电缆温度升高，损害电缆绝缘。因此，对馈线电缆金属护层的感应电压和环流及其发热进行科学计算分析，对实际安全生产是有指导意义的。本论文采用有限元的方法进行了高速铁路27.5kV馈线电缆金属护层电磁场和温度场的研究。
　　首先，阐述了高速铁路馈线电缆的结构和基本参数以及牵引供电系统的供电方式，分析高速铁路馈线电缆护层感应电压和环流产生的原因、危害及影响，针对高速铁路馈线专用27.5kV单芯交联聚乙烯电缆结构特性，根据电磁场知识及电路原理，解析计算高速铁路馈线电缆的金属护层感应电压以及环流。
　　其次，在有限元仿真软件下对电缆沟敷设的馈线电缆进行三维建模，建立高速铁路馈线电缆三维仿真模型，仿真分析不同回路数量下电缆长度、回路之间距离、导体电流、电缆排列方式、接地方式等对金属护层感应电压的影响。
　　再次，为确定高速铁路馈线电缆运行中的环流，利用有限元法对电缆金属屏蔽层涡流进行了计算，分析在电缆不同损坏程度对金属护层环流的影响;以间接耦合法分析了高速铁路馈线电缆损耗与温升的电-磁-热耦合问题，分析温度分布和温升变化。
　　最后，利用参数化设计语言，进行程序语言的二次开发，运用宏技术管理命令，实现了电-磁-热耦合的分析参数化和施加载荷参数化与求解，以及参数化后处理结果的显示。为馈线电缆的电磁场及温度场计算提供更加方便的界面，简化操作过程提供高效仿真。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的研究内容

第2章 高速铁路馈线电缆感应电压及环流解析计算

2．1 引言

2．2 高速铁路馈线电缆结构及基本参数

2．3 AT供电方式

2．4 高速铁路馈线电缆感应电压及环流解析计算

2．4．1 高速铁路馈线电缆金属护层感应电压计算

2．4．2 高速铁路馈线电缆金属护层环流计算

2．5 本章小结

第3章 基于有限元的27．5kV电缆感应电压分析

3．1 引言

3．2 三维涡流场有限元理论

3．2．1 三维涡流场微分方程

3．2．2 六面体单元分析

3．3 高速铁路馈线电缆有限元分析三维模型

3．4 单回路馈线电缆感应电压有限元仿真分析

3．4．1 工频稳态下电缆金属护层感应电压分析

3．4．2 牵引负荷电流下电缆金属护层感应电压分析

3．4．3 电缆弯曲时电缆金属护层感应电压分析

3．4．4 接地方式对高速铁路馈线电缆护层感应电压的影响

3．5 双回路馈线电缆感应电压有限元仿真分析

3．5．1 水平平行排列方式

3．5．2 电缆层间排列方式

3．6 本章小结

第4章 馈线电缆环流及温度场分析

4．1 引言

4．2 电缆金属护层环流分析

4．2．1 电容电流和泄漏电流

4．2．2 接地环流

4．3 电缆温度场有限元仿真分析

4．3．1 电-磁-热耦合分析流程

4．3．2 工频稳态下电缆温度分布

4．3．3 牵引电流下电缆温度分布

4．3．4 电缆损伤的温度分布

4．4 本章小结

第5章 APDL二次开发

5．1 引言

5．2 定制工具条

5．3 参数输入及创建宏文件

5．3．1 定制参数输入框

5．3．2 定制运行进度对话框

5．3．3 创建宏文件

5．4 运行实例

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研实践