基于FEM的自由敷设在空气中电缆温度场分析.pdf

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1、圜建No．8Vo1．2(SerialNo．201201I·电线电缆·基于FEM的自由敷设在空气中电缆温度场分析鞠吉安(中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)摘要：利用热学原理对空气中敷设电缆的温度场进行了分析。建立了基本模型、热对流方程和边界条件，用有限元计算了空气中敷设电缆的载流量在额定值时周围空气中温度的变化过程，得到了温度变化曲线。鞠吉安(1983一)，男，从事建筑电气设计。关键词：电缆；温度场；热学分析；有限元法中图分类号：TM247文献标志码：A文章编号：1674—8417(2011)08-0032-03——导体绝

2、缘单位长度的介质损耗0引言——导体和金属套之问单位长度热阻电缆在使用时产生温升，从而对周围环境产——金属套和铠装之间衬垫层单位长度生影响，同时周围环境的变化也会对电缆的运行热阻产生影响。本文通过热学原理，分析了空气中敷——电缆外护层单位长度热阻设的电缆载流量变化时对周围环境温度的影响。——电缆表面和周围介质之间单位长度通过建立空气中敷设电缆的模型，建立热对流方热阻程和边界条件，使用ANSYS有限元软件计算了n——电缆中载有负荷的导体数电缆载流量变化时周围空气温度的变化，对以后A——电缆金属套损耗相对于该电缆所有更加复杂的分析提供一些参考

3、。导体总损耗的比率1理论分析A：——电缆铠装损耗相对于该电缆所有导体总损耗的比率电缆的运行载流量大小和允许的温升有关根据热学原理，有三种传热方式。系，JB／T10181-2000《电缆载流量计算系列标(1)传导：准》中给出了在空气中敷设电缆的计算公式：一![!t——d△=(，2+)。+[，2+A1)+]n式中9——时间t内的传热量+[，(1+A1+A2)+，d]n(+)——热传导率，：卜稳定『△—，d[0．5。+n(+)]A——平面面积lRTl+nR(1+A1)+尺(1+A1+A2)(+)d——两平面之间的距离式中，——一根导体中流过的

4、电流(2)对流：△——导体的温升f(一t)流体被加热时R——最高工作温度下导体单位长度的交qi(f一)流体被冷却时流电阻·32··电线电缆·式中——壁面温度——流体温度——对流换热系数(3)辐射：：S式中r，_黑体的热力学温度——黑体辐射常数S——辐射表面积3类边界条件介绍如下：第1类边界条件是指物体边界上的温度函图1电缆模型数为已知，公式为图1中为电缆的半径，：为为电缆的外I，=rw或I，=，y，t)绝缘、护套等的厚度，为电缆表面到分析界面式中厂——物体边界的距离。由于假设是敷设在空气中，因此属于热——已知温度函数(随时间位置变化)学

5、中的第3类边界条件，即知道空气的对流换热第2类边界条件是指物体边界上的热流密系数和空气温度，就可列出边界方程。度q为已知，公式为电缆材料选择铜，密度为89OOkg／m，比热容一f，，=q或一f，_g(⋯)为385．2J／(kg·K)，热传导为386．4W／(m·K)。空气的温度20℃，对流换热系数为式中q——已知热流密度12．5w／(m·K)。PVC的热传导为g(，，t)——已知热流密度函数第3类边界条件是指与物体相接触流体介0．13W／(m·K)。假设电缆工作在规定的最大温度下，即90％质的温度和换热系数为已知，公式为时，仿真结果如图

6、2所示。一kOaT凡Il=(T—)I，厂、。2仿真结果及分析ANSYS是大型的通用有限元分析软件，可分析结构、热、流体、电磁、声学等，还可进行各种耦合分析，如热结构、磁结构、电一磁一热等耦合。ANSYS的热分析可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有2O355565111l6666782222可模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力及2777843333588897444490模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。图2电缆在额定载流量后1s周围空气变化ANSYS的

7、电磁分析可处理如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效图2是电缆工作在90cI=后1S的情况，图3应、电路和能量损失等，还可用于螺线管、调节是电缆工作在9Occ后50S的情况。图4是离开器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损电缆0．3m的温度的变化。图5是离开电缆检测装置等设计和分析领域。本文使用ANSYS1．5m的温度的变化。通过仿真可看出，当电缆分析电缆在空气中的温度场。工作在最大温度时，离开电缆1m范围温度还是假设单芯电缆敷设在空气中，电缆各组成均很高的，但是在离开电缆2m的地方温度又和空为各向同性

8、均匀介质。建立的模型如图1所示。气温度一样。·33·