Comsol交联聚乙烯XLPE电缆电-热-力三场耦合计算

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

     

XLPE绝缘电缆电-热-力三场耦合是指在通电过程中，导体产生的焦耳热引起温度场变化，进而通过热膨胀诱发机械应力场，三者相互作用、相互影响的多物理场耦合现象，该耦合过程需同时求解电磁场、传热场与固体力学场。

作者 |电子F430  

编辑 | 小苏  

审核 | 赵佳乐  

图| 软件截图
 

1.研究背景及意义

随着电力系统向高电压、大容量和高可靠性方向发展，绝缘电缆作为电能传输的关键设备，其运行安全性与寿命受到广泛关注。在实际运行中，电缆导体通电后因电阻产生焦耳热，导致温度升高；热量通过绝缘层向外传导，形成复杂的非稳态或稳态温度场。而温度变化又会引起材料热膨胀，在结构约束条件下产生显著的热应力，尤其在导体、绝缘层及护套等多材料界面处易出现应力集中。若长期处于高温或高应力状态，绝缘材料可能发生老化、开裂甚至击穿，严重威胁电网安全。因此，仅考虑单一物理场（如仅电场或仅温度场）的分析方法已难以满足现代电缆设计与评估需求。

电-热-力三场耦合研究在此背景下提出，通过多物理场协同仿真，全面揭示电缆内部电磁损耗、热传导与机械变形之间的内在关联。该方法不仅能够准确预测热点位置、温升特性及热应力分布，还能评估材料非线性（如电导率、热导率、弹性模量随温度变化）对整体性能的影响。借助COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台，可构建高保真度的三维模型，为电缆结构优化、绝缘材料选型、载流量提升及寿命预测提供科学依据。此外，该研究对推动智能电网、新能源并网及地下输电工程中的电缆安全运行具有重要工程价值和现实意义。

图1. 绝缘电缆

2.物理场建模

（1）几何模型：根据某品牌绝缘电缆设计图纸搭建了XLPE绝缘电缆二维简化模型，主要包括XLPE层，半导电屏蔽层、金属护套等部件，具体简化模型如图2所示。模型计算过程需设置材料的电导率、相对介电常数、热膨胀系数、密度、比热容、和导热系数，为了结果的准确性，以上参数均从相关论文资料以及现有实验数据中获得，如图3所示。  

图2. 电缆几何模型

图3. 材料参数

（2）物理场边界条件：计算模型选择电流、固体传热和固体力学模块进行计算。电流设置导体电流激励，屏蔽层接地，其余边界设置电绝缘边界。固体传热设置固体域和流体域，初始值温度293.15K；模型顶部和环境之间进行对流换热，换热系数为5W/(m^2*s)。固体力学选择电缆最外侧边界设置固定约束边界条件，其余边界设置自由边界。多物理场耦合方式选择电磁热和热膨胀。详细的物理场边界条件如图4所示。

（3）网格划分：根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用非结构网格对模型进行划分，网格分布如图5所示。

图5. 网格分布

图7. 温度分布

图8. 位移分布

图9. 应变分布

图10. 应力分布