三相交流电缆绝缘仿真分析

作者：郑天宇日期：2023/12/03

一、概述

电力电缆是电力系统中重要的电能传输装置，由于电缆具有占地小、受外界影响小等优点，在城市供电线路中电缆所占的比重逐年增加，此外电力电缆正逐步向高电压、大容量方向发展，相关电缆设计及制造需求迅速增长。电缆的绝缘强度是电缆设计中不容忽视的问题，由绝缘失效导致的短路和接地故障将导致严重的停电事故，因此需要借助仿真手段对电缆的绝缘强度进行校核。

利用EMPbridge基于准静态电场分析，可获得场计算结果。

二、建模仿真过程

1）几何模型

考虑到水平排列的三相电缆布局特点，可假设电缆轴向方向长度无限，只需要对其截面进行二维分析。利用EMPbridge软件进行二维几何建模，如图1所示。

图1 三相交流电缆的几何模型

2） 网格剖分

利用EMPbridge进行网格剖分，其中，对绝缘层以及铝护套部分进行局部网格加密处理，如图2所示。

图2 网格剖分结果

3） 材料参数

交流电缆涉及的材料包括线芯的铜导体材料、XLPE、PP以及PE绝缘材料、护套的铝材料以及土壤，各材料的参数如表1所示。

名称	相对磁导率	相对介电常数	电导率 (S/m)
铜	1.0	1.0	5.99E7
铝	1.0	1.0	3.55E7
土壤	1.0	3.0	0.02
XLPE	1.0	2.35	0.0
PE	1.0	2.25	0.0
PP	1.0	2.25	0.0

4） 边界条件和激励

(1) 电缆电压激励

如图3所示，在线芯的最外侧边界上设置三相电压激励，EMPbridge支持含相位差的电压激励源的设置，A、B、C相电压幅值设置为110 kV，A/B/C相电压的相位分别为0度/120度/240度。

图3 三相电缆电压激励设置

(2) 地电位设置

如图4所示，将求解区域的最外侧边界设置为地电位边界。

图4 地电位设置

三、结果及分析

电位分布、电场强度模值的云图分别如图5、图6所示。

图5 三相电缆电位分布云图

图6 三相电缆电场强度分布云图

四、结语

使用EMPbridge软件准静态电场仿真功能，分析三相电缆中的电场分布，能够指导绝缘材料绝缘等级的选取，也可用于高压电缆、高压电力设备的绝缘设计之中。

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