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图２ 海缆三维几何模型 4.边界条件的设定及载荷施加
根据有关文献记载 ［７］ ，海缆热力学分析的边界条件分为
３类：设模型下边界的海床土壤温度恒定，与海水温度相等，
取海水温度为20℃；模型在水平方向的温度保持一致，即左右
边界的法向热流密度为０；模型的上边界为海水，海床土壤与
海水之间存在对流换热（热导系数为200W/(ｍ℃)。
在对三芯海缆单相接地故障进行有限元求解时，选用暂
态温度分析，并设定初始参考温度为20℃，限制铜导体一端的
电压自由度，并且施加相应的阶跃电流载荷。三芯海缆正常运
行时，导体电流在金属护套上产生的感应电流可相互抵消，但
发生接地故障时，铜导体电流经击穿电阻直接流向铅合金护套
在接触电阻与过渡电阻（本文称之为“击穿电阻”），它们的 接地，因此对发生接地故障处的铅合金护套施加接地的电流载
阻值比线芯电阻大得多，本文在铜导体与铅合金之间建立一个 荷，并限制电压自由度。接地故障发生时，铜导体及击穿电阻
贯穿绝缘层（三芯海缆的轴向长度Z在0.47～0.49m之间）的大 的电流矢量分布如图３所示。
电阻实体模拟绝缘击穿。铜导体通过击穿电阻与绝缘外部的铅 图３ 电流矢量分布图
合金护套实现电气相连。为保证正常的热传递和电贯通，将击
穿电阻与整体模型进行粘连。按照海底电缆的通用接地方式，
本文将铅合金护套两端接地。
2.单元类型和材料参数设置
本文采用ANSYS Multiphysics模块模拟海缆接地故障的
发生。SOLD69单元同时包含电压和温度两个自由度，可用于温
度场与电场的直接耦合运算，描述电流产生焦耳热的过程。海
缆的非导体层只发生热传递，采用SOLD90热实体单元进行仿真
分析，该单元对电参数不敏感，符合绝缘层的特点。三芯海缆
接地故障分析属于暂态热分析，需要用到的材料参数如表１所
示。
表1 海缆有限元模型材料参数表
由图可知，铜导体内的电流经击穿电阻大量涌向外层铅
合金护套，电流流动的方向也证明了上文中故障模型建立的正
确性。流经铅合金护套的电流随后流入大地，形成单相接地故
障。
三、有限元仿真结果分析
1.光单元温度分布情况分析
接地故障发生后，海缆供电系统会进行相应的继电保护，
根据实际继电保护动作时间和线路延时，设故障发生1s后电源
切断，海缆不再产生热量。根据光单元温度的变化便可监测到
海缆内部的温度变化情况，识别故障的产生。接地故障发生
1000s后，光单元温度分布情况如图４所示。
由图可知，故障发生1000s后，光单元温度由设定的初始
值20℃不断上升，节点温度最高可达35.1142℃，比初始温度升
3.网格划分 高了15℃。通过监测光单元温度的变化，可明显识别到海缆接
有限元仿真计算以网格单元为单位进行。为了提高计算精 地故障的发生，其中光单元温度较高的部分即为海缆故障发生
度、减少计算时间，本文将ANSYS提供的几种网格划分方式混合 处。
使用。在对故障附近网格划分时，由于故障时的绝缘层已被破 由于光单元以层绞的方式缠绕在海缆指定层，贯穿整条海
坏，几何体不规则，采用智能网格划分，并选用较精确的划分 缆，与故障点处于同一截面的各个节点的温度可能存在差异，
系数。填充层包裹在３个线芯及一根光单元外面，其几何结构 因此我们每隔0.024ｍ 选取一个光单元截面，并对同一截面内
不规则，也采用智能网格划分，并适当降低网格要求，控制网 的所有节点温度求平均值，得到光单元不同位置的温度分布如
格数量。海缆的其他层均采用扫掠网格划分。 图5所示。
32 网络电信 二零一七年七月
