Page 30 - 网络电信2017年5月刊上

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三芯光纤复合海缆接地故障有限元建模与仿真

刘娟 杨志 吕安强 华北电力大学电子与通信工程系

一、引言 图1 三芯海缆结构剖面图

近年来，XLPE（交联聚乙烯）三芯光纤复合海底电缆（以 下，铜导体内部以及钢丝铠装层均不采用绞合，并根据IRC（国
下简称“海缆”）在海底配电网中得到广泛应用。实际运行中 际电工委员会）标准对模型进行适当简化，以控制网格数量，
的海缆埋于海床之下，长期遭受海水冲刷、侵蚀，容易造成海 提高计算速度。导体屏蔽、XLPE绝缘以及绝缘屏蔽的材料电热
缆的阻水性能变差，进而导致绝缘缺陷乃至绝缘击穿等电气故 特性相同，且导体屏蔽和绝缘屏蔽较薄，合并为绝缘层。半导
障的发生。 电阻水层厚度很小，在绝缘层与铅合金护套中间起膨胀缓冲的
作用，将其和铅合金护套合并。沥青防腐层、聚乙烯内护套、
目前针对单芯海缆电气故障及温度场研究较多，对三芯海 填充物以及扎带合并为一层。两根光纤单元在海底电缆内部呈
缆接地这类电气故障的研究鲜有报道。有学者提出采用基于布 对称分布，与线芯相对位置始终保持不变，此处简化为一根。
里渊散射的分布式光纤传感技术监测海缆内部温度变化的方法
［1-2］，为利用光纤监测海缆的接地故障奠定了技术基础。

三芯海缆发生接地故障时，可通过光纤温度的变化了解海
缆内各部分的温度分布情况。Mare Nikles等人基于受激布里渊
散射原理，定性分析了电缆中复合光纤的布里渊频移与各处温
度的关系［3］；李文祥等人通过建立电缆的稳态并联热路模型，
提出了由电缆表皮温度理论推算线芯温度的方法［4］；江东君用
数值计算法对10kV单芯电缆屏蔽层两端接地故障进行了危害分
析［5］。

本文建立了三芯海缆模型，采用电热耦合法仿真三芯海缆
接地故障，根据光单元温度的变化反映海缆内部的温度分布，
为监测海缆电气故障提供了理论参考。

二、三芯海缆单相接地故障的有限元建模 图2 海缆三维几何模型

1.几何模型建立
本文采用的ZS-YJQF41型36kV三芯海缆由３个完全相同的导
电线芯、两个光单元及外层材料绞合而成，截面如图1所示。
导电线芯在海缆内呈“品”字形排列，在填充层内，两根
光纤单元对称分布，8根通信用单模光纤呈松弛状态置于钢管
之中。铜导体内部、线芯以及光单元和钢丝铠装层均为绞合结
构。
绞合结构是为了增强海缆的机械强度，对海缆内部的热
量传递、温度分布等影响较小，在保证仿真结果正确性的前提

44 网络电信 二零一七年五月