本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)與土壤熱濕耦合分析，具體是一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著新能源電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大，直埋電力電纜作為輸送電能的關(guān)鍵設(shè)備，其性能和穩(wěn)定性備受關(guān)注。在直埋敷設(shè)方式中，電纜運(yùn)行時會產(chǎn)生大量熱量，這些熱量通過周圍的土壤向外擴(kuò)散，從而影響電纜周圍的溫升特性。與此同時，土壤中的水分遷移現(xiàn)象會顯著影響其熱傳導(dǎo)能力，進(jìn)而對電纜的散熱性能產(chǎn)生重要影響。

2、研究表明，土壤的熱導(dǎo)率、濕度和密度對電纜的載流能力有著直接影響。在直埋電纜的運(yùn)行過程中，土壤中的水分因溫度梯度和水分梯度的存在而發(fā)生遷移，主要表現(xiàn)為液態(tài)水和水蒸氣的擴(kuò)散。這種水分遷移會導(dǎo)致電纜周圍土壤的含水率分布發(fā)生變化，從而影響土壤的熱阻特性和電纜散熱能力。然而，目前針對電纜運(yùn)行時熱-濕耦合作用的研究較為有限，尤其是土壤水分遷移對電纜載流能力和溫升效應(yīng)的定量化分析方法仍有待完善。

3、現(xiàn)有技術(shù)主要基于土壤熱特性的單一分析方法，忽略了土壤水分遷移的動態(tài)變化對電纜熱傳導(dǎo)特性的影響，這可能導(dǎo)致電纜敷設(shè)設(shè)計的保守性或不經(jīng)濟(jì)性。此外，由于缺乏對土壤水分遷移現(xiàn)象的深入研究，目前電纜載流量計算和熱路模型中對濕度場的考慮較為簡單，難以準(zhǔn)確反映實(shí)際運(yùn)行中的復(fù)雜環(huán)境。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，針對直埋電纜周圍土壤中水分遷移對電纜載流能力和散熱性能的影響研究不足，具體表現(xiàn)為缺乏水分遷移的動態(tài)分析，未充分考慮熱-濕耦合作用對土壤特性和溫升的影響，計算方法保守導(dǎo)致電纜截面過大，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電纜設(shè)計優(yōu)化，特別是在波動負(fù)荷場景下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺乏水分遷移的動態(tài)分析從而難以準(zhǔn)確反映直埋電纜的運(yùn)行狀態(tài)等問題。

2、本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是：

3、一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，考慮電磁場、溫度場、濕度場三個物理場的相互耦合，構(gòu)建直埋電纜的電磁-熱-濕多物理場耦合仿真模型，分析土壤中水分遷移對直埋電纜運(yùn)行狀態(tài)的影響。

4、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，分析土壤中水分遷移對直埋電纜運(yùn)行狀態(tài)的影響包括：通過多物理場耦合仿真模型計算直埋電纜的溫度場分布。

5、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，計算直埋電纜的溫度場分布的步驟包括：

6、j1，設(shè)定多物理場耦合仿真模型的初始條件；初始條件包括：直埋電纜的電導(dǎo)率、土壤的導(dǎo)熱系數(shù)、土壤的比熱容；

7、j2，輸入電流值至多物理場耦合仿真模型；

8、j3，根據(jù)輸入的電流值計算直埋電纜的電磁損耗；

9、j4，以電磁損耗為熱源，溫度場計算場域溫度場分布。

10、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，分析土壤中水分遷移對直埋電纜運(yùn)行狀態(tài)的影響包括：通過多物理場耦合仿真模型計算直埋電纜的載流量。

11、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，計算直埋電纜的載流量包括以下步驟：

12、j5，根據(jù)溫度場分布得到溫度梯度，然后進(jìn)行濕度場的計算，更新土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和土壤的比熱容，返回步驟j2，直到溫度場和濕度場均滿足收斂條件；

13、j6，根據(jù)導(dǎo)體溫度值修正電導(dǎo)率，返回步驟j3計算電磁損耗，然后重復(fù)步驟j3至步驟j5，直到電磁損耗、溫度場和濕度場均滿足收斂條件，從而得到纜芯溫度，然后執(zhí)行步驟j7；

14、j7，判斷纜芯溫度是否達(dá)到設(shè)定閾值，如果小于設(shè)定閾值，則增大輸入電流；如果大于設(shè)定閾值，減小輸入電流，返回步驟j2，重復(fù)步驟j2至步驟j6，直到纜芯溫度等于設(shè)定閾值為止，纜芯溫度等于設(shè)定閾值為止時得到的輸入電流為載流量。

15、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，構(gòu)建直埋電纜的電磁-熱-濕多物理場耦合仿真模型的步驟包括：

16、s1，土壤含水率與土壤導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系分析：分析土壤含水率與土壤導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系；

17、s2，幾何模型搭建及材料設(shè)置：設(shè)置多物理場耦合仿真模型的幾何形狀，設(shè)置多物理場耦合仿真模型的材料屬性參數(shù)；

18、s3，物理場選擇與設(shè)置：選擇物理場及設(shè)置物理場的物理參數(shù)。

19、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s2中，電纜的材料屬性參數(shù)包括以下的一種或多種：導(dǎo)熱系數(shù)、密度、恒壓熱容、電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)、相對磁導(dǎo)率，土壤的材料屬性參數(shù)包括以下的一種或多種：導(dǎo)熱系數(shù)、密度、恒壓熱容。

20、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s2中，設(shè)置土壤的物理模型，包括：相對濕度模型、絕對溫度模型、絕對壓力模型。

21、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s3中，設(shè)置物理場的物理參數(shù)包括：設(shè)置電磁場和傳熱場的覆蓋區(qū)域、邊界條件及初始值，設(shè)置濕度場中建筑材料的選擇域?yàn)橥寥溃O(shè)置濕度場的初始值、絕緣條件。

22、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s3中，設(shè)置物理場的物理參數(shù)時，將建筑材料中的傳熱接口和建筑材料中的水分輸送接口均接入到溫度場、濕度場中，土壤中的水汽通量的計算公式為：

23、g0＝βp(pv.ext-pv)

24、其中，g0表示土壤中的水汽通量，βp表示水分遷移系數(shù)，pv.ext表示土壤內(nèi)氣壓，pv表示空氣氣壓；

25、土壤中含水率的分布的函數(shù)關(guān)系為：

26、

27、其中，θ(ψ)是在給定水勢ψ下的土壤含水率；θr是殘余含水率；θs是飽和含水率；α是尺度函數(shù)；n是土壤水分特征曲線的坡度表征參數(shù)。

28、本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

29、(1)本發(fā)明聚焦于土壤水分遷移現(xiàn)象對埋地電纜載流量的影響。構(gòu)建了電纜電磁-熱-濕多物理場耦合仿真模型，系統(tǒng)模擬了不同初始含水率條件下，土壤中水分遷移對電纜運(yùn)行狀態(tài)的影響；通過仿真分析，揭示了土壤水分遷移過程對電纜導(dǎo)體溫升和載流能力的潛在影響機(jī)制；

30、(2)本發(fā)明發(fā)現(xiàn)在電纜的暫態(tài)載流量計算中，土壤水分遷移對電纜溫升的影響極其有限；與傳統(tǒng)熱路模型相比，土壤水分遷移對電纜溫升的貢獻(xiàn)微乎其微；因此，在電纜設(shè)計與敷設(shè)方案優(yōu)化時，可以忽略水分遷移對載流量的影響，從而降低成本；

31、(3)本發(fā)明通過對比不同場景下的仿真結(jié)果與傳統(tǒng)模型的預(yù)測結(jié)果，驗(yàn)證了在常規(guī)設(shè)計中，土壤水分遷移對電纜的載流量并不顯著；該結(jié)論為電纜設(shè)計提供了合理的簡化假設(shè)，有助于在工程實(shí)踐中減少計算復(fù)雜度，提升設(shè)計效率。

技術(shù)特征：

1.一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，考慮電磁場、溫度場、濕度場三個物理場的相互耦合，構(gòu)建直埋電纜的電磁-熱-濕多物理場耦合仿真模型，分析土壤中水分遷移對直埋電纜運(yùn)行狀態(tài)的影響。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，分析土壤中水分遷移對直埋電纜運(yùn)行狀態(tài)的影響包括：通過多物理場耦合仿真模型計算直埋電纜的溫度場分布。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，計算直埋電纜的溫度場分布的步驟包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，分析土壤中水分遷移對直埋電纜運(yùn)行狀態(tài)的影響包括：通過多物理場耦合仿真模型計算直埋電纜的載流量。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，計算直埋電纜的載流量包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，構(gòu)建直埋電纜的電磁-熱-濕多物理場耦合仿真模型的步驟包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，步驟s2中，電纜的材料屬性參數(shù)包括以下的一種或多種：導(dǎo)熱系數(shù)、密度、恒壓熱容、電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)、相對磁導(dǎo)率，土壤的材料屬性參數(shù)包括以下的一種或多種：導(dǎo)熱系數(shù)、密度、恒壓熱容。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，步驟s2中，設(shè)置土壤的物理模型，包括：相對濕度模型、絕對溫度模型、絕對壓力模型。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，步驟s3中，設(shè)置物理場的物理參數(shù)包括：設(shè)置電磁場和傳熱場的覆蓋區(qū)域、邊界條件及初始值，設(shè)置濕度場中建筑材料的選擇域?yàn)橥寥?，設(shè)置濕度場的初始值、絕緣條件。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，其特征在于，步驟s3中，設(shè)置物理場的物理參數(shù)時，將建筑材料中的傳熱接口和建筑材料中的水分輸送接口均接入到溫度場、濕度場中，土壤中的水汽通量的計算公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)與土壤熱濕耦合分析技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種用于分析直埋電纜周圍土壤中水分遷移的方法，考慮電磁場、溫度場、濕度場三個物理場的相互耦合，構(gòu)建直埋電纜的電磁?熱?濕多物理場耦合仿真模型，分析土壤中水分遷移對直埋電纜運(yùn)行狀態(tài)的影響。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的缺乏水分遷移的動態(tài)分析從而難以準(zhǔn)確反映直埋電纜的運(yùn)行狀態(tài)等問題。

技術(shù)研發(fā)人員：胡振興,葉學(xué)勇,羅曉康,龔迅,李騰飛,張浩,何奎,張勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/22