基于ANSYS的高壓電力電纜載流量計算教學(xué)探索

張宇嬌 黃雄峰 普子恒 智李

摘要：根據(jù)“卓越計劃”下對學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，我院電氣工程專業(yè)輸電線路方向?qū)I(yè)核心課程的電力電纜課程增強了實踐內(nèi)容教學(xué)，設(shè)計了基于軟件ANSYS的電纜載流量計算的教學(xué)環(huán)節(jié)，提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：ANSYS；電力電纜有限元載流量計算；教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）23-0130-02

一、概況

電氣工程學(xué)科是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的主要學(xué)科，電氣工程專業(yè)學(xué)生的就業(yè)直接面向生產(chǎn)管理的第一線，要求學(xué)生具有較強的技術(shù)思維能力，擅長技術(shù)的應(yīng)用，能夠解決生產(chǎn)實際中的具體技術(shù)問題[1]?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計劃”[2]，也對人才的實踐能力培養(yǎng)提出了更高的要求。三峽大學(xué)為增強學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，啟動“卓越工程師”計劃，電氣與新能源學(xué)院為試點單位。在試點學(xué)院改革推動下，對專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容及形式提出了面向?qū)嵺`、促進實踐能力培養(yǎng)的要求，作為電氣工程專業(yè)輸電線路方向?qū)I(yè)核心課程的電力電纜課程，為適應(yīng)改革及人才培養(yǎng)需求，對課程中電力電纜載流量計算教學(xué)內(nèi)容進行了改革。

目前，我院電力電纜課程以《電力電纜施工》教材[3]為主要參考教材，有48學(xué)時，改革前其教學(xué)內(nèi)容主要包含電力電纜基礎(chǔ)認知、電力電纜線路設(shè)計/敷設(shè)、電纜附件附件及制作方法、電力電纜巡檢及電纜故障測尋和電力電纜線路運行管理與維護等內(nèi)容，其中電纜線路設(shè)計中關(guān)于電纜電路載流量計算主要依據(jù)經(jīng)驗公式，難以滿足應(yīng)用新型絕緣材料的電纜選擇計算。而電力電纜的損耗及發(fā)熱是影響電力電纜線路運行的重要因素，是電力電纜線路設(shè)計的重要指標依據(jù)，對電力電纜線路設(shè)計有著重要的影響。

課程組針對該部分教學(xué)的不足，提出了“以ANSYS軟件[4]為基礎(chǔ)，構(gòu)建電力電纜載流量有限元計算”進行教學(xué)的思路，將理論教學(xué)與實際問題結(jié)合進行教學(xué)，通過構(gòu)建教學(xué)案例，設(shè)計課堂內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容及課程作業(yè)，對教學(xué)方式及效果進行探索。

二、電力電纜載流量計算教學(xué)案例設(shè)計

國際電工委員會（IEC）提出的IEC-60287標準是目前國內(nèi)外電力部門計算高壓電力電纜載流量的主要依據(jù)，對于密集型電纜沒有給出現(xiàn)成計算公式，該標準也被國內(nèi)電力部門試驗證明在載流量計算中是保守的[5]。有限元數(shù)值計算能夠模擬真實的邊界條件，解決多重介質(zhì)的溫度場計算問題，實現(xiàn)流固耦合的溫度場計算、多重導(dǎo)熱方式耦合的溫度場計算等，各個環(huán)節(jié)易于標準化，可形成通用的計算程序，具有較高的計算精度。

電力電纜載流量有限元計算分析包含電纜溫度分析模型建立、邊界條件確定和計算結(jié)果分析。案例電力電纜型號選擇標稱截面400mm2的YLJW02 64/110kV電纜，電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)表1所示。其敷設(shè)在空氣中，環(huán)境溫度為24℃。

電纜中有5種材料：銅（導(dǎo)體）、鋁（皺紋鋁護套）、交聯(lián)聚乙烯（絕緣層）、半導(dǎo)體材料（導(dǎo)體屏蔽層與絕緣屏蔽層）、橡膠與聚乙烯的混合材料（外護套），通過查表確定材料的電導(dǎo)率和電阻率。

根據(jù)實際參數(shù)建立電纜幾何模型，如圖1（a）所示。劃分電纜溫度場二維模型的單元時有多種選擇，一般有三角形單元、六節(jié)點的三角形單元和四邊形單元等網(wǎng)格劃分方式。由于三角形單元不但計算精度高，而且速度快，使用簡單。因此，選擇三角形單元對電纜溫度場模型進行網(wǎng)格劃分。對其進行網(wǎng)格剖分后得到有限元模型，如1（b）所示。整個模型均采用四節(jié)點平面單元（plane55），單元數(shù)496，節(jié)點為2167。單元劃分的大小對精度的影響很大，一般來說，網(wǎng)格劃分的單元越小，誤差也越小。實際操作時，可以視情況適時改變單元劃分的大小。距離電纜線芯越近，溫度變化幅度越大，所以單元劃分也就越小。

在溫度場計算部分，設(shè)置求解域的熱參數(shù)，包括空氣溫度、電纜各層的熱導(dǎo)系數(shù)。在空氣邊界處設(shè)置溫度22.5℃作為邊界條件，將之前計算中得到的損耗值作為載荷施加到熱—流體模型中來，設(shè)置相應(yīng)的仿真時間，可以得到對應(yīng)的溫度場分布。將仿真時定長為3h，求解后得到溫度場分布云圖，如圖2所示。

此方法通過建立電力電纜模型，確定電纜參數(shù)及邊界條件，最終確定了電力電纜運行的載流量。

三、教學(xué)模式及教學(xué)效果分析

電力電纜載流量的計算教學(xué)，通過課堂講授及實驗室仿真計算實施，同時布置課程作業(yè)。通過課堂教學(xué)，完成建模方法及計算理論的相關(guān)教學(xué)，使學(xué)生了解并掌握其計算原理及仿真分析過程，在實驗室環(huán)境下，學(xué)生通過實踐，掌握了具體的實施過程，掌握基本技能。課程作業(yè)部分，學(xué)生根據(jù)布置的不同電壓等級下的電力電纜運行工況，對已有線路的電纜載流量進行計算。通過自行確定參數(shù)，建立模型，與實際線路運行參數(shù)進行比對，進一步明確了電纜載流量的含義，也對進一步的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了興趣，同時也掌握了一項基本技能。

通過最近幾年，本科學(xué)生實現(xiàn)了電纜渦流損耗的分析以及電纜運行溫度監(jiān)測等相關(guān)延展課題的設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計中關(guān)于該類課題，都取得了較好的完成效果。

通過對學(xué)生學(xué)習(xí)的情況的調(diào)查，以及畢業(yè)學(xué)生和電力檢修公司等用人單位的反饋，主要取得了以下方面的效果。

1.通過理論聯(lián)系實際的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了很大提升。學(xué)生了解到該部分內(nèi)容能解決實際問題，對此產(chǎn)生了濃厚的興趣，積極參與該環(huán)節(jié)教學(xué)活動，主動查閱電力電纜相關(guān)參數(shù)的資料，并與教師進行討論，專業(yè)知識的系統(tǒng)性、科學(xué)性和創(chuàng)新性得到了強化，也愿意與企業(yè)導(dǎo)師對計算結(jié)果進行探討，共同驗證仿真結(jié)果的正確性，同時也完成一些延伸問題的研究。這種教學(xué)方式也拉近了專業(yè)教師與學(xué)生之間的距離，在互動過程中，師生關(guān)系變得更加融洽。

2.學(xué)生動手實踐能力得到很大提升，加深了對基礎(chǔ)知識的理解。參與課程的實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生通過主動查閱資料，對電力電纜的現(xiàn)場應(yīng)用更加了解，能有針對性地對電纜運行中渦流損耗問題進行分析，并動手完成相關(guān)設(shè)計與分析，加深了對整個課程內(nèi)容的了解。對應(yīng)用中電力電纜出現(xiàn)的問題，能提出具有參考價值的解決方案，并設(shè)計出了關(guān)于輔助智能測量電力電纜運行問題的設(shè)備設(shè)計方案，并動手設(shè)計出了原型裝置，獲得了企業(yè)教師的認可。

3.提高了電氣工程專業(yè)輸電方向?qū)W生的就業(yè)能力。由于學(xué)生動手實踐及設(shè)計能力都得到了相應(yīng)的提高，在就業(yè)過程中，面對面試官，能從容地講解關(guān)于電力電纜的知識，以及自己對這方面的思考，充分展現(xiàn)了自己的能力，獲得了較好的認同感；從入職輸電工區(qū)的學(xué)生的反饋來看，他們一進入企業(yè)就能很好地與其工作內(nèi)容接上軌，為后期發(fā)展提供了很好的保障。

四、結(jié)語

通過應(yīng)用ANSYS軟件構(gòu)建的電力電纜載流量分析教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)了課程教學(xué)的目的，提高了教學(xué)效果，達到了預(yù)先設(shè)定的教學(xué)目的。執(zhí)行過程中，因涉及ANSYS軟件的使用學(xué)習(xí)，在有限的課堂學(xué)時下，要多為學(xué)生提供仿真軟件學(xué)習(xí)的環(huán)境，這樣才能保證學(xué)生順利地掌握相關(guān)知識。

參考文獻：

[1]陳艷，鄭永.卓越計劃背景下電氣工程專業(yè)應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵[J].重慶與世界，2014，31（12）：127-129.

[2]教育部網(wǎng)站.教育部關(guān)于實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的若干意見[EB/OL].[2011-03-16].http：//www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html.

[3]李光輝.電力電纜施工技術(shù)[M].第一版.北京：中國電力出版社，2008.

[4]張建偉，白海波，李昕.ANSYS 14.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].第一版.北京：人民郵電出版社，2013.

[5]梁永春.高壓電力電纜載流量數(shù)值計算[M].第一版.北京：國防工業(yè)出版社.2012.