基于ANSYS的高壓電力電纜載流量計算教學探索

張宇嬌 黃雄峰 普子恒 智李

摘要：根據“卓越計劃”下對學生實踐創新能力的培養要求，我院電氣工程專業輸電線路方向專業核心課程的電力電纜課程增強了實踐內容教學，設計了基于軟件ANSYS的電纜載流量計算的教學環節，提高了教學效果。

關鍵詞：ANSYS；電力電纜有限元載流量計算；教學

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

電氣工程學科是現代科學技術的主要學科，電氣工程專業學生的就業直接面向生產管理的第一線，要求學生具有較強的技術思維能力，擅長技術的應用，能夠解決生產實際中的具體技術問題[1]。“卓越工程師教育培養計劃”[2]，也對人才的實踐能力培養提出了更高的要求。三峽大學為增強學生的創新實踐能力，啟動“卓越工程師”計劃，電氣與新能源學院為試點單位。在試點學院改革推動下，對專業課程教學內容及形式提出了面向實踐、促進實踐能力培養的要求，作為電氣工程專業輸電線路方向專業核心課程的電力電纜課程，為適應改革及人才培養需求，對課程中電力電纜載流量計算教學內容進行了改革。

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學時，改革前其教學內容主要包含電力電纜基礎認知、電力電纜線路設計/敷設、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容，其中電纜線路設計中關于電纜電路載流量計算主要依據經驗公式，難以滿足應用新型絕緣材料的電纜選擇計算。而電力電纜的損耗及發熱是影響電力電纜線路運行的重要因素，是電力電纜線路設計的重要指標依據，對電力電纜線路設計有著重要的影響。

課程組針對該部分教學的不足，提出了“以ANSYS軟件[4]為基礎，構建電力電纜載流量有限元計算”進行教學的思路，將理論教學與實際問題結合進行教學，通過構建教學案例，設計課堂內容、實踐環節內容及課程作業，對教學方式及效果進行探索。

二、電力電纜載流量計算教學案例設計

國際電工委員會（IEC）提出的IEC-60287標準是目前國內外電力部門計算高壓電力電纜載流量的主要依據，對于密集型電纜沒有給出現成計算公式，該標準也被國內電力部門試驗證明在載流量計算中是保守的[5]。有限元數值計算能夠模擬真實的邊界條件，解決多重介質的溫度場計算問題，實現流固耦合的溫度場計算、多重導熱方式耦合的溫度場計算等，各個環節易于標準化，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，電纜結構參數表1所示。其敷設在空氣中，環境溫度為24℃。

電纜中有5種材料：銅（導體）、鋁（皺紋鋁護套）、交聯聚乙烯（絕緣層）、半導體材料（導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率和電阻率。

根據實際參數建立電纜幾何模型，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、六節點的三角形單元和四邊形單元等網格劃分方式。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格劃分。對其進行網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點平面單元（plane55），單元數496，節點為2167。單元劃分的大小對精度的影響很大，一般來說，網格劃分的單元越小，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，設置求解域的熱參數，包括空氣溫度、電纜各層的熱導系數。在空氣邊界處設置溫度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，設置相應的仿真時間，可以得到對應的溫度場分布。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，確定電纜參數及邊界條件，最終確定了電力電纜運行的載流量。

三、教學模式及教學效果分析

電力電纜載流量的計算教學，通過課堂講授及實驗室仿真計算實施，同時布置課程作業。通過課堂教學，完成建模方法及計算理論的相關教學，使學生了解并掌握其計算原理及仿真分析過程，在實驗室環境下，學生通過實踐，掌握了具體的實施過程，掌握基本技能。課程作業部分，學生根據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，建立模型，與實際線路運行參數進行比對，進一步明確了電纜載流量的含義，也對進一步的學習產生了興趣，同時也掌握了一項基本技能。

通過最近幾年，本科學生實現了電纜渦流損耗的分析以及電纜運行溫度監測等相關延展課題的設計，畢業設計中關于該類課題，都取得了較好的完成效果。

通過對學生學習的情況的調查，以及畢業學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.通過理論聯系實際的學習方式，學生的學習興趣得到了很大提升。學生了解到該部分內容能解決實際問題，對此產生了濃厚的興趣，積極參與該環節教學活動，主動查閱電力電纜相關參數的資料，并與教師進行討論，專業知識的系統性、科學性和創新性得到了強化，也愿意與企業導師對計算結果進行探討，共同驗證仿真結果的正確性，同時也完成一些延伸問題的研究。這種教學方式也拉近了專業教師與學生之間的距離，在互動過程中，師生關系變得更加融洽。

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

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

四、結語

通過應用ANSYS軟件構建的電力電纜載流量分析教學內容，實現了課程教學的目的，提高了教學效果，達到了預先設定的教學目的。執行過程中，因涉及ANSYS軟件的使用學習，在有限的課堂學時下，要多為學生提供仿真軟件學習的環境，這樣才能保證學生順利地掌握相關知識。

參考文獻：

[1]陳艷，鄭永.卓越計劃背景下電氣工程專業應用型人才創新能力培養的關鍵[J].重慶與世界，2014，31（12）：127-129.

[2]教育部網站.教育部關于實施“卓越工程師教育培養計劃”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[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超級學習手冊[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值計算[M].第一版.北京：國防工業出版社.2012.