一种基于ANSYS CFX的架空线径向温度场仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于ANSYS CFX的架空线径向温度场仿真方法，包括以下步骤：S1、ANSYS CFX有限元模型中进行单元选择与材料设定；S2、ANSYS CFX有限元模型中进行网格划分；S3、ANSYS CFX有限元模型中进行生热率载荷施加；S4、ANSYS CFX有限元模型中进行边界条件施加；S5、ANSYS CFX有限元模型中进行求解。该方法通过使用ANSYS CFX得到不同载流量下导线的径向温度分布场，并且通过大电流实验方法得到钢芯铝绞线型导线表层温度和钢芯层温差随电流变化的情况，其相对误差均在5％之内，对绞线类的径向热场分布方法，有着比较强的参考意义。

说明书

技术领域

本发明涉及高电压与绝缘技的技术领域，特别涉及一种基于ANSYS CFX的架空线径向温度场仿真方法。

背景技术

随着经济的快速发展，用电量也快速增长，促进了电网的建设。然而，在现在的情况下，输电走廊仍在一定程度上限制了电网的建设与发展。建设新的输电走廊需要耗费大量的资金与时间，在短期之内并不会对输电走廊的短缺起到缓解作用。因而，如何充分利用现有的线路的输电能力就成为了一个有实际意义的问题。

目前，输电线增容的主流技术包括静态增容技术，即在环境参数按照设计标准，提高导线温度运行，另一种是动态增容技术，即根据实时监测的环境参数计算当前条件下的载流量。无论是动态增容还是静态增容，导线的运行温度较高，此时弧垂势必要增加。目前《电力工程高压送电线路设计手册》规定弧垂定位温度是40℃或者覆冰无风条件，当导线温度达到70℃或者更高温度后，如果对地距离或者交叉跨越距离很可能不满足规程规定，容易造成对地放电、树竹放电或者线路跳闸等危害。

导线增容主要受金具发热、导线的机械强度变化和弧垂增大的限制。一般关于张力-温度模型，是带入表面温度求解，在高温段时，弧垂计算误差偏大。D.A.Douglass等人对导线径向热场分布的研究表明：由于各层单导线空气间隙的存在，架空导线其钢芯与最外层铝绞线存在温度梯度。对导线径向应力分布随时间的变化进行了研究，随着温度升高，导线的应力向钢芯处转移。对于钢芯铝绞线通常在40℃到110℃的时候，会变得松弛，在某个温度时，架空线的拉力全部由钢芯承担。在这种状态下，仅以表面温度为依据计算弧垂会造成误差。因而有必要对于导线的径向温度场进行研究。

在以往的研究中，在使用数值法对钢芯铝绞线的温度分布进行仿真的时候，对于钢芯铝绞线的温度的计算倾向于将导线看作一个实心的圆柱体，仅在计算交流电阻的时候考虑集肤效应，将生热率均匀施加到钢芯与铝层，再通过摩尔根公式计算出表面对流换热系数后施加边界条件。这种方法计算得到的径向温度分布，并未考虑到导线间空气隙的存在对于导线径向传热的影响，因而最后结果与实验所得到的结果之间有着较大的差距，不利于对于三维弧垂模型的建立。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于ANSYS CFX的架空线径向温度场仿真方法，该方法根据钢芯铝绞线各层导体之间、各股导体之间的串并联关系，所得每一根单导体中的电流密度和产热率，并施加到模型中，放到CFX中求解，得到钢芯铝绞线径向温度分布。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于ANSYS CFX的架空线径向温度场仿真方法，所述仿真方法包括以下步骤：

S1、ANSYS CFX有限元模型中进行单元选择与材料设定；

S2、ANSYS CFX有限元模型中进行网格划分；

S3、ANSYS CFX有限元模型中进行生热率载荷施加；

S4、ANSYS CFX有限元模型中进行边界条件施加；

S5、ANSYS CFX有限元模型中进行求解。

进一步地，所述步骤S1、ANSYS CFX有限元模型中进行单元选择与材料设定具体为；

根据钢芯铝绞线的实际物理结构搭建模型，设定材料时，钢芯、铝芯与空气使用ANSYS CFX模型材料库中对应材料，设置求解域时对处于距中心指定距离以内的空气、钢芯、铝芯作为固体域求解，剩余空气当作流体域求解。

进一步地，所述步骤S2、ANSYS CFX有限元模型中进行网格划分具体为：

使用ICEM CFD中的Blocking模式将几何模型划分为Z向只有一层的网格并导入CFX-Pre中。

进一步地，所述步骤S3、ANSYS CFX有限元模型中进行生热率载荷施加具体为；

S31、根据钢芯铝绞线的结构特点，钢芯热源由流过其电阻的电流产生，铝层热源包括焦耳热和太阳辐射作用，按照电阻串并联关系，计算流过钢芯铝绞线各层间、各股之间的电流值，计算公式如下：

$I_s=I\left(\frac{R_a}{R_a+R_s}\right)$

$I_a=I\left(\frac{R_s}{R_a+R_s}\right)$

式中，I为流入导线截面的总电流，Rs、Ra为导体中钢芯部分和铝导线部分的电阻，Is、Ia为流入钢芯铝绞线钢芯部分和铝线部分的电流，

$I_{si}=\frac{I_s}{N_s}$

$I_{ai}=\frac{I_a}{N_a}$

$R_{si}=\frac{R_s}{N_s}$

$R_{ai}=\frac{R_a}{N_a}$

式中，I_si、I_ai分别为钢芯层和铝线层部分中单导线的电流值，R_si、R_ai分别为钢芯层和铝线层的单导线的电阻值，N_s、N_a分别为钢芯层和铝线层单导线的股数；

S32、在钢芯所在的网格中建立子域，通过CEL语言施加生热率：

Q₁＝J₁²ρ_Fe(1+α_rFe(T-293.15))(1)

其中Q₁(W/m³)为钢芯生热率，J₁(A/m²)为将钢芯与铝芯作为并联处理得到的钢芯上的电流密度，ρ_Fe(Ω·m)为293.15K时铁的电阻率，α_rFe(Ω·m/K)为铁的电阻温度系数，T(K)为该网格温度，在迭代时由求解器实时给出；

S33、在铝芯所在的网格中建立子域，通过CEL语言施加生热率为

Q₂＝J₂²ρ_Al(1+α_rAl(T-293.15))(2)

其中Q₂(W/m³)为铝芯生热率，J₂(A/m²)为将钢芯与铝芯作为并联处理得到>Al(Ω·m)为293.15K时铝的电阻率，α_rAl(Ω·m/K)为铝的电阻温度系数，T(K)为该网格温度，在迭代时由求解器实时给出。

进一步地，所述步骤S4、ANSYS CFX有限元模型中进行边界条件施加具体为：

空气外边缘施加开放边界条件，铝芯暴露于外面的部分在流固交界面的基础上通过CEL语言施加附加热流密度：

$q=ϵ\sigma (T^4-T_{out}^4)---\left(3\right)$

其中ε为发射率，σ＝1.3806488(13)×10^-23(J/K)为玻尔兹曼常数，TOUT(K)为环境温度，T(K)为表面温度，在迭代时由求解器实时给出，其余边界施加默认的流固交界面或者固固交界面。

进一步地，所述步骤S5、ANSYS CFX有限元模型中进行求解具体为：

将ANSYS CFX有限元模型输入CFX Solver内进行计算，得到温度场的分布结果图。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明公开的一种使用ANSYS CFX的考虑导线内部空隙的钢芯铝绞线的径向温度场分布仿真方法，建立径向切面的二维仿真模型，在考虑了导线内部空气隙的情况下，通过使用ANSYS CFX得到不同载流量下导线的径向温度分布场，并且通过大电流实验方法得到钢芯铝绞线型导线表层温度和钢芯层温差随电流变化的情况，其相对误差均在5％之内，对绞线类的径向热场分布方法，有着比较强的参考意义。

2)本发明公开的一种使用ANSYS CFX的考虑导线内部空隙的钢芯铝绞线的径向温度场分布仿真方法，无须对于电磁场与热辐射进行仿真，虽然这也引入了一定的误差，但有相对较快的计算速度。

附图说明

图1是本发明公开的一种基于ANSYS CFX的架空线径向温度场仿真方法的流程步骤图；

图2是钢芯铝绞线内部结构并联电阻图；

图3是钢芯铝绞线径向温度仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

请参见图1，图1是本发明中公开的一种基于ANSYS CFX的架空线径向温度场仿真方法的流程步骤图。图1所示的一种基于ANSYS CFX的架空线径向温度场仿真方法，具体包括以下步骤：

S1、ANSYS CFX有限元模型中进行单元选择与材料设定；

具体应用中，所述步骤S1具体为：

根据钢芯铝绞线的实际物理结构搭建模型，设定材料时，钢芯、铝芯与空气使用ANSYS CFX模型材料库中对应材料，设置求解域时对于处于距中心指定距离以内的空气、钢芯、铝芯作为固体域求解，剩余空气当作流体域求解。

S2、ANSYS CFX有限元模型中进行网格划分；

具体应用中，所述步骤S2具体为：

划分网格时，使用ICEM CFD中的Blocking模式将几何模型划分为Z向只有一层的网格并导入CFX-Pre中。

S3、ANSYS CFX有限元模型中进行生热率载荷施加；

具体应用中，所述步骤S3具体为；

S31、根据钢芯铝绞线的结构特点，钢芯热源由流过其电阻的电流产生，铝层热源包括焦耳热和太阳辐射作用。按照电阻串并联关系，计算流过钢芯铝绞线各层间、各股之间的电流值。图2是钢芯铝绞线内部结构并联电阻图，由图2可知：

$I_s=I\left(\frac{R_a}{R_a+R_s}\right)$

$I_a=I\left(\frac{R_s}{R_a+R_s}\right)$

式中，I为流入导线截面的总电流，Rs、Ra为导体中钢芯部分和铝导线部分的电阻，Is、Ia为流入钢芯铝绞线钢芯部分和铝线部分的电流，

$I_{si}=\frac{I_s}{N_s}$

$I_{ai}=\frac{I_a}{N_a}$

$R_{si}=\frac{R_s}{N_s}$

$R_{ai}=\frac{R_a}{N_a}$

式中，I_si、I_ai分别为钢芯层和铝线层部分中单导线的电流值，R_si、R_ai分别为钢芯层和铝线层的单导线的电阻值，N_s、N_a分别为钢芯层和铝线层单导线的股数。

S32、在钢芯所在的网格中建立子域，通过CEL语言施加生热率：

Q₁＝J₁²ρ_Fe(1+α_rFe(T-293.15))(1)

其中Q₁(W/m³)为钢芯生热率，J₁(A/m²)为将钢芯与铝芯作为并联处理得到的钢芯上的电流密度，ρ_Fe(Ω·m)为293.15K时铁的电阻率，α_rFe(Ω·m/K)为铁的电阻温度系数，T(K)为该网格温度，在迭代时由求解器实时给出。

S33、以同样的方法在铝芯所在的网格中建立子域，通过CEL语言施加生热率为

Q₂＝J₂²ρ_Al(1+α_rAl(T-293.15))(2)

其中Q₂(W/m³)为铝芯生热率，J₂(A/m²)为将钢芯与铝芯作为并联处理得到的铝芯上的电流密度，ρ_Al(Ω·m)为293.15K时铝的电阻率，α_rAl(Ω·m/K)为铝的电阻温度系数，T(K)为该网格温度，在迭代时由求解器实时给出。

S4、ANSYS CFX有限元模型中进行边界条件施加；

具体应用中，所述步骤S4具体为：

施加边界条件时，空气外边缘施加开放边界条件，铝芯暴露于外面的部分在流固交界面的基础上通过CEL语言施加附加热流密度：

$q=ϵ\sigma (T^4-T_{out}^4)---\left(3\right)$

其中ε为发射率，σ＝1.3806488(13)×10^-23(J/K)为玻尔兹曼常数，TOUT(K)为环境温度，T(K)为表面温度，在迭代时由求解器实时给出，其余边界施加默认的流固交界面或者固固交界面。

S5、ANSYS CFX有限元模型中进行求解；

具体应用中，所述步骤S5具体为；

将上述模型输入CFX Solver内进行计算，得到温度场的分布结果图。

综上所述，本实施例结合LGJ300/40导线的实际结构尺寸，建立了径向切面的二维仿真模型，在考虑了导线内部空气隙的情况下，通过使用ANSYS CFX得到不同载流量下导线的径向温度分布场，并且通过大电流实验方法得到钢芯铝绞线型导线表层温度和钢芯层温差随电流变化的情况，其相对误差均在5％之内，对绞线类的径向热场分布方法，有着比较强的参考意义。

实施例二

本实施例所使用模型为LGJ 300/40型导线，结合本发明中公开的一种基于ANSYS CFX的架空线径向温度场仿真方法进行仿真，具体步骤如下：

S1、ANSYS CFX有限元模型中进行单元选择与材料设定；

选用LGJ 300/40型导线，其2D截面图由四层组成，由内到外分别是圆心位于中心半径为1.33mm的一根钢芯、圆心间隔均匀分布在半径为2.66mm的圆上半径为1.33mm的六根钢芯、圆心间隔均匀分布在半径为5.985mm的圆上半径为1.995mm的九根铝芯、圆心间隔均匀分布在半径为9.975mm的圆上半径为1.995mm的根十五根铝芯。在已有导线模型的基础上，外部添加半径为0.2米的空气层。由于ANSYS CFX无法处理2D模型，在已有模型的基础上Z向拉伸10mm，通过之后的处理模拟2D情况。

S2、ANSYS CFX有限元模型中进行网格划分；

具体应用中，所述步骤S2具体为：

划分网格时，使用ICEM CFD中的Bloking模式将几何模型划分为Z向只有一层的网格，网格划分完毕后导入CFX-Pre中。

S3、ANSYS CFX有限元模型中进行生热率载荷施加；

设置材料时，钢芯、铝芯与空气使用材料库中对应材料。设置求解域时对于处于距中心9.975mm以内的空气、钢芯、铝芯作为固体域求解，剩余空气当作流体域求解。

此步骤与实施例一中相同，具体参见实施例一中步骤S3的详细过程，此处不再详细阐述。

S4、ANSYS CFX有限元模型中进行边界条件施加；

此步骤与实施例一中相同，具体参见实施例一中步骤S4的详细过程，此处不再详细阐述。

S5、ANSYS CFX有限元模型中进行求解；

将上述模型输入CFX Solver内进行计算，得到温度场的分布结果如图3所示。由仿真结果可以看出，在自然对流情况下，导体各层的温度部分并不均匀，而是存在一定的梯度，其中钢芯温度比铝导体的温度要高的。

模型效果分析

利用本实施例中所示的方法分别计算I为400A、500A、600A、700A，环境温度为19(℃)，发射率ε为0.3的情况下LGJ 300/40型导线的温度分布，并通过大电流实验平台控制相关条件验证模型的正确性，得到以下结果：

表1LGJ 300/40型导线的仿真温度与实际温度比较

从表1中可以看出，使用本简易算法，在节省计算时间的同时所求得的结果与实验结果的绝对误差在5％之内，其得到的钢芯铝绞线的温度场分布具有一定参考作用。

模型计算所的结果与实际的结果之间相符的较好，这主要是由于在模型中计算钢芯铝绞线的生热率的时候，并没有将其看作一个均匀生热的整体，而是采用导线的直流流电阻率和根据电阻的串并联规律计算生热率，在没有考虑集肤效应的情况下，相当于减小了导线的电阻。此外，对于绞线型导线，单层铝导线的交流电阻最大，3层铝线的次之，偶数层铝导线的交流电阻最小，所以本文所述方法用于偶数层铝导线时误差较小。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。