基于ANSYS的高压电力电缆载流量计算教学探索

张宇娇 黄雄峰 普子恒 智李

摘要：根据“卓越计划”下对学生实践创新能力的培养要求，我院电气工程专业输电线路方向专业核心课程的电力电缆课程增强了实践内容教学，设计了基于软件ANSYS的电缆载流量计算的教学环节，提高了教学效果。

关键词：ANSYS；电力电缆有限元载流量计算；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）23-0130-02

一、概况

电气工程学科是现代科学技术的主要学科，电气工程专业学生的就业直接面向生产管理的第一线，要求学生具有较强的技术思维能力，擅长技术的应用，能够解决生产实际中的具体技术问题[1]。“卓越工程师教育培养计划”[2]，也对人才的实践能力培养提出了更高的要求。三峡大学为增强学生的创新实践能力，启动“卓越工程师”计划，电气与新能源学院为试点单位。在试点学院改革推动下，对专业课程教学内容及形式提出了面向实践、促进实践能力培养的要求，作为电气工程专业输电线路方向专业核心课程的电力电缆课程，为适应改革及人才培养需求，对课程中电力电缆载流量计算教学内容进行了改革。

目前，我院电力电缆课程以《电力电缆施工》教材[3]为主要参考教材，有48学时，改革前其教学内容主要包含电力电缆基础认知、电力电缆线路设计/敷设、电缆附件附件及制作方法、电力电缆巡检及电缆故障测寻和电力电缆线路运行管理与维护等内容，其中电缆线路设计中关于电缆电路载流量计算主要依据经验公式，难以满足应用新型绝缘材料的电缆选择计算。而电力电缆的损耗及发热是影响电力电缆线路运行的重要因素，是电力电缆线路设计的重要指标依据，对电力电缆线路设计有着重要的影响。

课程组针对该部分教学的不足，提出了“以ANSYS软件[4]为基础，构建电力电缆载流量有限元计算”进行教学的思路，将理论教学与实际问题结合进行教学，通过构建教学案例，设计课堂内容、实践环节内容及课程作业，对教学方式及效果进行探索。

二、电力电缆载流量计算教学案例设计

国际电工委员会（IEC）提出的IEC-60287标准是目前国内外电力部门计算高压电力电缆载流量的主要依据，对于密集型电缆没有给出现成计算公式，该标准也被国内电力部门试验证明在载流量计算中是保守的[5]。有限元数值计算能够模拟真实的边界条件，解决多重介质的温度场计算问题，实现流固耦合的温度场计算、多重导热方式耦合的温度场计算等，各个环节易于标准化，可形成通用的计算程序，具有较高的计算精度。

电力电缆载流量有限元计算分析包含电缆温度分析模型建立、边界条件确定和计算结果分析。案例电力电缆型号选择标称截面400mm2的YLJW02 64/110kV电缆，电缆结构参数表1所示。其敷设在空气中，环境温度为24℃。

电缆中有5种材料：铜（导体）、铝（皱纹铝护套）、交联聚乙烯（绝缘层）、半导体材料（导体屏蔽层与绝缘屏蔽层）、橡胶与聚乙烯的混合材料（外护套），通过查表确定材料的电导率和电阻率。

根据实际参数建立电缆几何模型，如图1（a）所示。划分电缆温度场二维模型的单元时有多种选择，一般有三角形单元、六节点的三角形单元和四边形单元等网格划分方式。由于三角形单元不但计算精度高，而且速度快，使用简单。因此，选择三角形单元对电缆温度场模型进行网格划分。对其进行网格剖分后得到有限元模型，如1（b）所示。整个模型均采用四节点平面单元（plane55），单元数496，节点为2167。单元划分的大小对精度的影响很大，一般来说，网格划分的单元越小，误差也越小。实际操作时，可以视情况适时改变单元划分的大小。距离电缆线芯越近，温度变化幅度越大，所以单元划分也就越小。

在温度场计算部分，设置求解域的热参数，包括空气温度、电缆各层的热导系数。在空气边界处设置温度22.5℃作为边界条件，将之前计算中得到的损耗值作为载荷施加到热—流体模型中来，设置相应的仿真时间，可以得到对应的温度场分布。将仿真时定长为3h，求解后得到温度场分布云图，如图2所示。

此方法通过建立电力电缆模型，确定电缆参数及边界条件，最终确定了电力电缆运行的载流量。

三、教学模式及教学效果分析

电力电缆载流量的计算教学，通过课堂讲授及实验室仿真计算实施，同时布置课程作业。通过课堂教学，完成建模方法及计算理论的相关教学，使学生了解并掌握其计算原理及仿真分析过程，在实验室环境下，学生通过实践，掌握了具体的实施过程，掌握基本技能。课程作业部分，学生根据布置的不同电压等级下的电力电缆运行工况，对已有线路的电缆载流量进行计算。通过自行确定参数，建立模型，与实际线路运行参数进行比对，进一步明确了电缆载流量的含义，也对进一步的学习产生了兴趣，同时也掌握了一项基本技能。

通过最近几年，本科学生实现了电缆涡流损耗的分析以及电缆运行温度监测等相关延展课题的设计，毕业设计中关于该类课题，都取得了较好的完成效果。

通过对学生学习的情况的调查，以及毕业学生和电力检修公司等用人单位的反馈，主要取得了以下方面的效果。

1.通过理论联系实际的学习方式，学生的学习兴趣得到了很大提升。学生了解到该部分内容能解决实际问题，对此产生了浓厚的兴趣，积极参与该环节教学活动，主动查阅电力电缆相关参数的资料，并与教师进行讨论，专业知识的系统性、科学性和创新性得到了强化，也愿意与企业导师对计算结果进行探讨，共同验证仿真结果的正确性，同时也完成一些延伸问题的研究。这种教学方式也拉近了专业教师与学生之间的距离，在互动过程中，师生关系变得更加融洽。

2.学生动手实践能力得到很大提升，加深了对基础知识的理解。参与课程的实践环节，学生通过主动查阅资料，对电力电缆的现场应用更加了解，能有针对性地对电缆运行中涡流损耗问题进行分析，并动手完成相关设计与分析，加深了对整个课程内容的了解。对应用中电力电缆出现的问题，能提出具有参考价值的解决方案，并设计出了关于辅助智能测量电力电缆运行问题的设备设计方案，并动手设计出了原型装置，获得了企业教师的认可。

3.提高了电气工程专业输电方向学生的就业能力。由于学生动手实践及设计能力都得到了相应的提高，在就业过程中，面对面试官，能从容地讲解关于电力电缆的知识，以及自己对这方面的思考，充分展现了自己的能力，获得了较好的认同感；从入职输电工区的学生的反馈来看，他们一进入企业就能很好地与其工作内容接上轨，为后期发展提供了很好的保障。

四、结语

通过应用ANSYS软件构建的电力电缆载流量分析教学内容，实现了课程教学的目的，提高了教学效果，达到了预先设定的教学目的。执行过程中，因涉及ANSYS软件的使用学习，在有限的课堂学时下，要多为学生提供仿真软件学习的环境，这样才能保证学生顺利地掌握相关知识。

参考文献：

[1]陈艳，郑永.卓越计划背景下电气工程专业应用型人才创新能力培养的关键[J].重庆与世界，2014，31（12）：127-129.

[2]教育部网站.教育部关于实施“卓越工程师教育培养计划”的若干意见[EB/OL].[2011-03-16].http：//www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html.

[3]李光辉.电力电缆施工技术[M].第一版.北京：中国电力出版社，2008.

[4]张建伟，白海波，李昕.ANSYS 14.0超级学习手册[M].第一版.北京：人民邮电出版社，2013.

[5]梁永春.高压电力电缆载流量数值计算[M].第一版.北京：国防工业出版社.2012.