仿真 APP 助力电网的运行与维护
日常生活中不可缺少的电力资源，主要通过电力电缆来进行传输和分配。电线电缆被喻为国民经济的“血管”与“神经”，是电力基础设施建设、新型智能电网、新能源产业中必不可少的基础产品。随着经济的发展，电缆线路的需求日益增大，新增负载会导致电网参数的波动或者瞬间干扰，从而导致电力品质下降，引起电网设备的运行故障，极端情况下会引发火灾等严重事故。为保证居民生活和工业生产的正常运行，电缆系统设备的日常维护是保证顺利供电的重要手段；而出现电缆故障后如何及时修复，也成为亟待解决的问题。电网的运行维护电力设备的运行情况就像人体的健康状况一样，需要定期进行状态评估，以防止突然断电的情况发生。对电缆的健康评估通常使用检测设备（比如红外、紫外和局部放电等），通过检测的结果判断电缆设备的状态。然而，仅通过单一的检测设备往往难以全面地反映电缆的状态或判断电缆设备的故障类型；而且，电缆的架设环境各异，例如埋于地下或隧道里或是架设在空中，会增加设备和人力检测的难度。同时，线缆的运行环境、服役年限以及本身质量的不同也导致了很难有一个完整的体系对其进行统一的评估。为了有效分析电缆的健康状况，维护电网的正常运转，除了使用传统的检测设备进行测试，工程师需要考虑影响线缆健康的不同因素，如线缆本身的结构和材料、线缆中的杂质、电压波动及运行环境等，从而对线缆进行全面的分析。国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司（以下简称“武汉南瑞”）是中国国家电网总公司下属的一所研究型机构。该机构主要从事智能电网输变电相关产品研发、设计、制造和工程服务，其职责之一是为地方电力公司提供电力设备运行维护以及故障分析。武汉南瑞的工程师张静及其团队希望通过仿真模拟，可以有效地分析不同因素引起的电场变化，更好地反映电缆的健康状况和准确的分析故障原因。仿真提升电缆健康评估电缆结构复杂，包含多层结构，其中线芯通常由几根或者几组导线绞合而成，每组导线之间相互绝缘，线芯外包有高度绝缘的覆盖层（见图 1）。当电缆的绝缘层中存在水分以及其他诱发因素（如杂质、突起或者空间电荷），绝缘材料在水分和电场的作用下就会形成一些微型通道，这些微通道多呈树状结构，所以被称为水树。在电缆正常工作时，水分子在电场的作用下会不断聚集在缺陷部位，进而导致绝缘层的机械损伤，从而扩大绝缘体的损伤。在电力输送中，水树是诱发高压电缆损坏的主要因素（见图 2）。图 1. 典型的电缆结构示意图，主要包含导体线芯，导体层，绝缘层以及金属屏蔽层等。为了观察及理解上述因素对电缆健康状况的影响，武汉南瑞的工程师使用COMSOL Multiphysics 软件对电缆进行模拟。“COMSOL Multiphysics 界面友好，软件内的预置接口使仿真建模过程变得十分简单。”张静说道。张静和她的仿真团队使用了软件中的AC/DC 模块和模块中预置的电流接口对电缆工作状态下的电场情况进行了模拟。电缆的故障模拟分两步完成，首先设置电缆各层材料的结构参数（半径）和电学属性（介电常数和导电率），计算电缆在通入高压电后的正常电场结果；然后分别加入杂质参数和水树层参数，通过计算就可以得到分别存在杂质或者水树层、或者杂质和水树同时存在时的电场结果。“在评估电缆健康状况时，电缆各层材料属性、水树和电缆中的杂质等因素都需要被考虑在内，而这些在 COMSOL 软件中都很容易实现。”张静解释道。
将正常情况电场结果与存在杂质或水树这两种缺陷的电场结果进行对比，工程师可以评估杂质和水树对电缆的影响。正常电缆的电场只有从导线沿半径指向屏蔽层的电力线，电场分布是均匀的。当存在杂质时，如图 3 所示，电场的均匀性受到破坏。当局部的电势差高于绝缘层可承受的电压时，电缆线绝缘层将会在短时间内被击穿。“通过仿真来预测电缆在高压情况下的健康状况非常高效便捷。”张静说道，“通过对不同工况下对电缆电场的模拟，我们可以快速对由线缆中缺陷引发的潜在风险进行评估，预测杂质和水树对线缆安全性能的影响。我们甚至可以通过设置改变杂质的种类及在电缆中的位置、水树大小以及水树的电学性能等，对线缆的各种情况进行全面分析。”开发电缆状态分析仿真 App对于武汉南瑞的仿真工程师而言，使用 COMSOL Multiphysics 软件来模拟电缆在不同情况下的电场性能，以及预估电缆的健康状况变得十分简单和便捷。如果能让前线的故障检修人员也能使用仿真进行电缆的运行状态预测，无疑会简化故障检修的工作流程，提高工作效率。但是当电缆出现问题时，由于一线的故障检修人员缺少仿真专业技能的培训，通常难以基于实际情况使用仿真模型分析故障原因。当故障发生在较为偏远的地区时，调用电力专家进行现场勘查排除故障则需要花费几天甚至几周的时间。为使仿真模型为一线人员服务，降低使用要求，增加灵活性，张静工程师使用 COMSOL 软件中的应用程序开发器（App 开发器）开发的专家系统仿真 App，从根本上解决了这一难题。通过由多物理场仿真模型定制开发的电缆线路分析专家系统仿真 App，一线的检修人员都能够方便地使用仿真模拟帮助他们分析故障原因，只需修改几个参数，就能运行仿真分析，而无需预先了解底层模型设置。图 4. 电缆线路状态分析专家系统仿真 APP，可以修改电缆各层属性参数、杂质和水树参数，以及网格的尺寸等参数，评估电缆的性能。
电缆线路状态分析专家系统仿真 App（如图 4 所示）的用户界面友好简洁，可以直接输入不同的电缆参数，选择故障类型，即时调整仿真模型并直计算接展示出所需的结果。由于电缆设备的结构比较固定，一线故障检修人员只需要针对故障的电缆线路先进行故障类型分类，然后在仿真 App 中选择已知的缺陷类型，输入实际数据，便可以很快得到电势和电场的报告，预估线缆的健康状况，从而来判断是否需要对该电缆进行更换或者维修。“仿真 App 在电缆维护工作中起到了关键的作用，不仅极大地提高了工作的效率，也给一线同事在电缆故障的判断上带来更多自信。” 张静说道。
来源：章琪琦 COMSOL
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