海底电缆额定载流量有限元计算方法、装置及计算机设备与流程

本技术涉及电力，特别是涉及一种海底电缆额定载流量有限元计算方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。

背景技术：

1、电缆额定载流量是指电缆的内部绝缘材料在其耐热极限下能够长期稳定运行的最大电流值。目前有两种额定载流量的计算方法，第一种是解析法，主要基于iec标准中的等效热阻法，但在计算过程中会受电缆结构与环境条件的限制，无法考虑电缆的复杂结构运行条件；第二种是有限元法，其基本原理是通过对研究对象的连续区域进行离散化，然后求解出有限个单元，利用单元的各向异性，通过模拟将单元组合衔接，对单元进行求解分析，获得全局的元素分析结果。基于有限元计算思想对电缆及周围环境的整体模型温度场进行分析从而得到电缆额定载流量，该方法不受电缆结构与环境条件限制，可很好的适应各种复杂结构的工程问题。

2、然而目前利用有限元法计算电缆额定载流量时，面对海底电缆运行过程中的复杂结构工况，计算结果的准确性较低。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供面对海底电缆运行过程中的复杂结构工况，计算结果的准确性高的一种海底电缆额定载流量有限元计算方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。

2、第一方面，本技术提供了一种海底电缆额定载流量有限元计算方法。所述方法包括：

3、获取海底电缆的横截面尺寸以及环境特征，基于所述海底电缆的横截面尺寸构建海底电缆二维几何模型，并基于所述海底电缆环境特征构建运行环境区域二维几何模型；所述海底电缆二维几何模型中包括j型管段海底电缆对应的j型管模型部分以及敷设于海床土壤中海底电缆对应的海床管模型部分；

4、对所述海底电缆二维几何模型和所述运行环境区域二维几何模型分别进行剖分处理，得到多个计算域和多个环境域；其中，环境域的网格单元大于计算域的网格单元；

5、获取所述海底电缆和所述运行环境区域的材料属性，并根据所述材料属性随环境温度的变化关系，对各个计算域和各个环境域的材料属性赋值；

6、根据所述海底电缆的结构特征，确定所述海底电缆的结构对应的电磁场边界条件；

7、根据j型管段海底电缆所在运行环境对应的第一传热机理和所述j型管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述j型管模型部分的第一温度场边界条件；根据敷设于海床土壤中海底电缆所在运行环境对应的第二传热机理和所述海床管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述海床管模型部分的第二温度场边界条件；

8、调用频域-稳态求解器，基于所述电磁场边界条件、所述j型管模型部分的第一温度场边界条件以及所述海床管模型部分的第二温度场边界条件，对所述多个计算域和多个环境域进行有限元计算，得到海底电缆的额定载流量。

9、在其中一个实施例中，所述海底电缆包括多导线芯和外部铠装钢丝；所述对所述海底电缆二维几何模型和所述运行环境区域二维几何模型分别进行剖分处理，得到多个计算域和多个环境域，包括：

10、将所述海底电缆二维几何模型剖分为网格最大单元不超过1mm的多个计算域，并在所述多导线芯部位添加至少5层的边界层网格；

11、将所述运行环境区域二维几何模型剖分为网格单元大小在1.5mm-10mm的多个环境域。

12、在其中一个实施例中，所述获取所述海底电缆和所述运行环境区域的材料属性，并根据所述材料属性随环境温度的变化关系，对各个计算域和各个环境域的材料属性赋值，包括：

13、获取所述海底电缆和所述运行环境区域各自的材料属性；所述材料属性包括导热系数、比热容、密度、相对磁导率、电导率与相对介电常数的一项或多项；

14、根据所述材料属性随环境温度的变化关系，对各个计算域和各个环境域的材料属性赋值。

15、在其中一个实施例中，所述海底电缆包括多导线芯和外部铠装钢丝；所述根据所述海底电缆的结构特征，确定所述海底电缆的结构对应的电磁场边界条件，包括：

16、将海底电缆的多导线芯设置为均匀多匝导线，构建多匝导线单丝绞合模型；在所述多匝导线单丝绞合模型中，将多匝导线单丝设置为第一线圈组，实现多匝导线单丝串联；

17、将外部铠装钢丝设置为第二线圈组，实现多匝铠装钢丝串联；

18、基于所述第一线圈组和第二线圈组，确定所述海底电缆结构模型对应的所述电磁场边界条件。

19、在其中一个实施例中，所述基于所述第一线圈组和第二线圈组，确定所述海底电缆结构模型对应的所述电磁场边界条件，包括：

20、采用电磁场和温度场双向耦合对第一线圈组进行迭代计算，得到所述多导线芯外表面集肤效应导致的电流分布变化情况，作为第一计算结果；

21、对第二线圈组进行计算处理，得到铠装钢丝的电流损耗，作为第二计算结果；

22、基于所述第一计算结果和第二计算结果，确定所述海底电缆结构模型对应的所述电磁场边界条件。

23、在其中一个实施例中，所述根据j型管段海底电缆所在运行环境对应的第一传热机理和所述j型管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述j型管模型部分的第一温度场边界条件；根据敷设于海床土壤中海底电缆所在运行环境对应的第二传热机理和所述海床管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述海床管模型部分的第二温度场边界条件，包括：

24、对所述j型管模型部分对应的部分计算域和部分环境域，获取第一传热机理；所述第一传热机理包括：以导热微分方程为基础的电缆内部热传导过程、j型管结构海底电缆与外界空气的自然对流换热过程和j型管结构海底电缆与j型管内有限空间对流换热过程；并基于所述第一传热机理、所述j型管模型部分对应的部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，设定第一温度场边界条件；

25、对所述海床管模型部分对应的部分计算域和部分环境域，获取第二传热机理；所述第二传热机理包括：以导热微分方程为基础的敷设于海床土壤中海底电缆内部的热传导过程、敷设于海床土壤中海底电缆与海床土壤之间的热传导过程和所述土壤表面的自然对流换热过程；并基于所述第二传热机理、所述海床管模型部分对应的部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，设定第二温度场边界条件。

26、在其中一个实施例中，所述调用频域-稳态求解器，基于所述电磁场边界条件、所述j型管模型部分的第一温度场边界条件以及所述海床管模型部分的第二温度场边界条件，对所述多个计算域和多个环境域进行有限元计算，得到海底电缆的额定载流量，包括：

27、将所述电磁场边界条件和所述j型管模型部分的第一温度场边界条件以及所述海床管模型部分的第二温度场边界条件相耦合；

28、根据所述频域-稳态求解器预设的初始阻尼系数、最小阻尼系数、最大迭代次数、容差因子和电流频率，对j型管段海底电缆及敷设在海床土壤中的海底电缆中的导体电流值分别进行参数化扫描计算，得到各自对应的绝缘最高温度值随导体电流值的变化关系；

29、基于所述绝缘最高温度值随导体电流值的变化关系，得到所述j型管段海底电缆及敷设在海床土壤中的海底电缆各自的额定载流量。

30、第二方面，本技术还提供了一种海底电缆额定载流量有限元计算装置。所述装置包括：

31、几何模型构建模块，用于获取海底电缆的横截面尺寸以及环境特征，基于所述海底电缆的横截面尺寸构建海底电缆二维几何模型，并基于所述海底电缆环境特征构建运行环境区域二维几何模型；所述海底电缆二维几何模型中包括j型管结构海底电缆对应的j型管模型部分以及敷设于海床土壤中海底电缆对应的海床管模型部分；

32、模型剖分模块，用于对所述海底电缆二维几何模型和所述运行环境区域二维几何模型分别进行剖分处理，得到多个计算域和多个环境域；其中，环境域的网格单元大于计算域的网格单元；

33、材料属性确定模块，用于获取所述海底电缆和所述运行环境区域的材料属性，并根据所述材料属性随环境温度的变化关系，对各个计算域和各个环境域的材料属性赋值；

34、电磁场确定模块，用于根据所述海底电缆的结构特征，确定所述海底电缆的结构对应的电磁场边界条件；

35、温度场确定模块，用于根据j型管段海底电缆所在运行环境对应的第一传热机理和所述j型管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述j型管模型部分的第一温度场边界条件；根据敷设于海床土壤中海底电缆所在运行环境对应的第二传热机理和所述海床管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述海床管模型部分的第二温度场边界条件；

36、载流量计算模块，用于调用频域-稳态求解器，基于所述电磁场边界条件、所述j型管模型部分的温度场边界条件以及所述海床管模型部分的温度场边界条件，对所述多个计算域和多个环境域进行有限元计算，得到海底电缆的额定载流量。

37、第三方面，本技术还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

38、获取海底电缆的横截面尺寸以及环境特征，基于所述海底电缆的横截面尺寸构建海底电缆二维几何模型，并基于所述海底电缆环境特征构建运行环境区域二维几何模型；所述海底电缆二维几何模型中包括j型管段海底电缆对应的j型管模型部分以及敷设于海床土壤中海底电缆对应的海床管模型部分；

39、对所述海底电缆二维几何模型和所述运行环境区域二维几何模型分别进行剖分处理，得到多个计算域和多个环境域；其中，环境域的网格单元大于计算域的网格单元；

40、获取所述海底电缆和所述运行环境区域的材料属性，并根据所述材料属性随环境温度的变化关系，对各个计算域和各个环境域的材料属性赋值；

41、根据所述海底电缆的结构特征，确定所述海底电缆的结构对应的电磁场边界条件；

42、根据j型管段海底电缆所在运行环境对应的第一传热机理和所述j型管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述j型管模型部分的第一温度场边界条件；根据敷设于海床土壤中海底电缆所在运行环境对应的第二传热机理和所述海床管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述海床管模型部分的第二温度场边界条件；

43、调用频域-稳态求解器，基于所述电磁场边界条件、所述j型管模型部分的第一温度场边界条件以及所述海床管模型部分的第二温度场边界条件，对所述多个计算域和多个环境域进行有限元计算，得到海底电缆的额定载流量。

44、第四方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

45、获取海底电缆的横截面尺寸以及环境特征，基于所述海底电缆的横截面尺寸构建海底电缆二维几何模型，并基于所述海底电缆环境特征构建运行环境区域二维几何模型；所述海底电缆二维几何模型中包括j型管段海底电缆对应的j型管模型部分以及敷设于海床土壤中海底电缆对应的海床管模型部分；

46、对所述海底电缆二维几何模型和所述运行环境区域二维几何模型分别进行剖分处理，得到多个计算域和多个环境域；其中，环境域的网格单元大于计算域的网格单元；

47、获取所述海底电缆和所述运行环境区域的材料属性，并根据所述材料属性随环境温度的变化关系，对各个计算域和各个环境域的材料属性赋值；

48、根据所述海底电缆的结构特征，确定所述海底电缆的结构对应的电磁场边界条件；

49、根据j型管段海底电缆所在运行环境对应的第一传热机理和所述j型管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述j型管模型部分的第一温度场边界条件；根据敷设于海床土壤中海底电缆所在运行环境对应的第二传热机理和所述海床管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述海床管模型部分的第二温度场边界条件；

50、调用频域-稳态求解器，基于所述电磁场边界条件、所述j型管模型部分的第一温度场边界条件以及所述海床管模型部分的第二温度场边界条件，对所述多个计算域和多个环境域进行有限元计算，得到海底电缆的额定载流量。

51、第五方面，本技术还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

52、获取海底电缆的横截面尺寸以及环境特征，基于所述海底电缆的横截面尺寸构建海底电缆二维几何模型，并基于所述海底电缆环境特征构建运行环境区域二维几何模型；所述海底电缆二维几何模型中包括j型管段海底电缆对应的j型管模型部分以及敷设于海床土壤中海底电缆对应的海床管模型部分；

53、对所述海底电缆二维几何模型和所述运行环境区域二维几何模型分别进行剖分处理，得到多个计算域和多个环境域；其中，环境域的网格单元大于计算域的网格单元；

54、获取所述海底电缆和所述运行环境区域的材料属性，并根据所述材料属性随环境温度的变化关系，对各个计算域和各个环境域的材料属性赋值；

55、根据所述海底电缆的结构特征，确定所述海底电缆的结构对应的电磁场边界条件；

56、根据j型管段海底电缆所在运行环境对应的第一传热机理和所述j型管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述j型管模型部分的第一温度场边界条件；根据敷设于海床土壤中海底电缆所在运行环境对应的第二传热机理和所述海床管模型部分计算域和部分环境域的所述材料属性赋值，确定所述海床管模型部分的第二温度场边界条件；

57、调用频域-稳态求解器，基于所述电磁场边界条件、所述j型管模型部分的第一温度场边界条件以及所述海床管模型部分的第二温度场边界条件，对所述多个计算域和多个环境域进行有限元计算，得到海底电缆的额定载流量。

58、上述海底电缆额定载流量有限元计算方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，该方法对海底电缆和其运行环境分别构建二维几何模型，并对几何模型进行剖分得到多个计算域和环境域，对各个计算域和环境域的材料属性进行赋值，根据属性赋值和敷设在j型管的海底电缆和敷设在海床土壤中的海底电缆各自的传热机理，确定温度场边界条件，并根据海底电缆的结构确定电磁场边界条件，最后调用调用频域-稳态求解器基于温度场边界条件和电磁场条件进行有限元计算的到海底电缆的额定载流量。通过在计算额定载流量的过程中，考虑不同材料属性随温度的变化情况进行赋值、同时根据海底电缆的复杂结构确定与之对应的电磁场边界条件，以及根据海底电缆不同管段所处运行环境的不同传热机理，综合计算该海底电缆的额定载流量，实现了面对海底电缆运行过程中的复杂结构工况，计算结果的准确性高的效果。