PAGE22PAGE光纖復(fù)合電纜OPLC多物理場仿真分析摘要光纖復(fù)合電纜(OPLC)近幾年發(fā)展迅猛，推進(jìn)了我國四網(wǎng)融合這一戰(zhàn)略的進(jìn)程，并成為其進(jìn)程中必不可缺的主要載體。光纖復(fù)合電纜在未來家庭智能化、辦公自動化、數(shù)字化變電站、工控網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位。當(dāng)前，OPLC逐漸發(fā)展成熟并被逐步推廣運(yùn)用于電力行業(yè)。然而該線纜的溫度場分布及光纖傳輸損耗還有待于進(jìn)一步研究。在本文中，運(yùn)用到一款叫COMSOLMultiphysics的仿真軟件并用此款仿真軟件仿真出光纖復(fù)合電纜OPLC在穩(wěn)定運(yùn)行工作狀態(tài)下的溫度場。電纜在運(yùn)行過程中纜心會產(chǎn)生發(fā)熱進(jìn)而整個(gè)電纜會發(fā)生溫度變化，這種變化對光纖復(fù)合電纜(OPLC)的傳輸性能造成了影響。本文基于這種影響的情況下，構(gòu)造出溫度場與光纖傳輸損耗的模型。采用有限元法的基礎(chǔ)下，運(yùn)用COMSOLMultiphsics仿真軟件，模擬得到光纖復(fù)合電纜OPLC在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的溫度分布及光單元傳輸損耗特性。仿真結(jié)果表明，通過對光纖復(fù)合低壓電纜上特征點(diǎn)的溫度曲線分析，OPLC在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的溫度分布及傳輸損耗與理論計(jì)算基本相符。關(guān)鍵詞：光纖復(fù)合低壓電纜；溫度場分布；光纖傳輸損耗

ABSTRACTOpticalfibercompositelow-voltagecable(OPLC)whichisthemaincarrieroftheintegrationofthefourkindsofnetworksplaysanimportantroleinhomeautomation,officeautomation,digitalsubstation,industrialnetworkdatatransmissioninthefuture.OPLCisincreasinglybeingusedinpowerindustry.Atpresent,temperaturedistributionandopticaltransmissionlossofOPLCiswishedtobestudiedfurther.Inthispaper,themathematicalmodelforOpticalFiberCompositeLow-VoltageCable(OPLC)temperaturedistributionandtransmissionlossisestablishedconsideringtheeffectoftemperaturechangeonthetransmissionperformanceofOPLC.Themodelalsoconsidersthedistributioncharacteristicsofthetemperaturefieldofthecableandthedifferenceinthestressexpansioncausedbydifferentcoefficientsofexpansionofthematerial.Basedontheproposedmodel,asimulationmodelofphysicalfieldcouplingincludingelectricfield,lightfield,temperaturefieldandstressfieldisdesigned.UsingfiniteelementnumericalanalysismethodandCOMSOLMultiphysicssimulationsoftware,weanalyzethetemperaturecharacteristicsandlightunittransmissionlosscharacteristicsofOPLCundersteadystateandshotcircuitfaultconditions.ThesimulationresultsshowthatthetemperaturedistributionandtransmissionlossofOPLCarebasicallyconsistentwiththetheoreticalcalculationsinthestableoperationstateandshort-circuitfaultstate.Theopticalfibertransmissionlosscausedbytheshort-circuitfaultshowsastreadyattentiontrend,whichcanbeneglectedintheengineering.Keywords:OPLC;finiteelementmethod;shortcircuitfaultcondition;transmissionloss目錄摘要 IABSTRACT II目錄 III第1章緒論 11.1課題背景及研究的意義 11.2國內(nèi)和國外的研究現(xiàn)狀 31.3本文完成的主要工作 6第2章COMSOL軟件介紹及建模 72.1COMSOL介紹 72.1.1什么是COMSOLMultiphysics 72.1.2COMSOLMultiphysics的使用 72.2OPLC溫度場的傳熱學(xué)及數(shù)學(xué)建模 92.2.1溫度場的熱傳導(dǎo) 92.2.2OPLC溫度場導(dǎo)熱微分方程的建立及求解 112.2.3基于應(yīng)力差的光纖傳輸損耗模型 122.3本章小結(jié) 12第3章OPLC工作狀態(tài)下的溫場及仿真分析 133.1引言 133.2OPLC的分析仿真模型及結(jié)構(gòu)參數(shù) 143.3OPLC穩(wěn)定工作狀態(tài)下的仿真結(jié)果 163.4OPLC穩(wěn)定工作狀態(tài)下光單元的仿真結(jié)果 183.5本章小結(jié) 19第四章OPLC仿真結(jié)果分析 214.1電纜結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn) 214.2溫度場仿真數(shù)據(jù)與理論的分析比較 214.3溫度場對光纖損耗的影響 224.4本章小結(jié) 23結(jié)論 24參考文獻(xiàn) 25致謝 27

第1章緒論1.1課題背景及研究的意義隨著信息社會的到來，為了與時(shí)俱進(jìn)，人們的需求已由單一方面的數(shù)據(jù)信息傳遞逐步轉(zhuǎn)化為向多元化復(fù)雜化多媒體信息的交流，就這就要逐步提高信息的傳輸速率[1]。光纖作為一種傳輸媒介就很好滿足了現(xiàn)代信息社會人們的需求。因?yàn)樗哂蓄l帶寬、傳輸過程損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、保密性能好、總質(zhì)量輕和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。得到了社會越來越多的認(rèn)可并廣泛應(yīng)用于生活[2]。然而光纖的單獨(dú)鋪設(shè)耗時(shí)耗力，對土地資源和時(shí)間也造成了一種浪費(fèi)。為了減少資源的浪費(fèi)以及縮短前期建設(shè)時(shí)長，人們不斷探索，總結(jié)出兩種辦法。一種是將光纖架設(shè)到電網(wǎng)中，另一種便是把光纖復(fù)合到電力線纜中。與此同時(shí)，智能電網(wǎng)的發(fā)展也要求將信息技術(shù)與電力系統(tǒng)相融合來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、自動化和智能化等多重功能。由此，電力光纜隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展從而應(yīng)運(yùn)而生[3]。光纖復(fù)合電力電纜OPLC是將光纖單元包在電纜的填充層結(jié)構(gòu)中，這樣就同時(shí)具備電力傳送和光纖通訊兩種功能。因而使用OPLC這樣的線纜，既降低了工程建設(shè)投資又節(jié)約了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，在工程建設(shè)中起到了跨時(shí)代的意義。我國積極推進(jìn)四網(wǎng)融合的建設(shè)，這一戰(zhàn)略推進(jìn)了智能家居的發(fā)展，另外還實(shí)現(xiàn)了用電信息的雙向采集進(jìn)程；在現(xiàn)代社會的推動下，人們對信息的需求是要有大規(guī)模的應(yīng)用范圍和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，此外電力信息系統(tǒng)還必須具有足夠的帶寬。因此，電力光纖憑借著其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢成功成為目前的信息的最佳載體。OPLC光纖復(fù)合電纜將電力線纜與光纖融合成光纜即同纜鋪設(shè)，就能實(shí)現(xiàn)能量流與信息流同時(shí)傳輸。OPLC倡導(dǎo)的電力光纖到戶的理念(PowerandFibertothehome，簡稱PFTTH)，即專業(yè)術(shù)語為配合無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)。這種技術(shù)能幫助人們實(shí)現(xiàn)電力傳輸配電網(wǎng)、數(shù)字電視和互聯(lián)網(wǎng)等"多網(wǎng)融合"的目標(biāo)。極大推動了我國現(xiàn)階段提出的"四網(wǎng)融合"建設(shè)的浪潮。因此可以通過搭建OPLC組網(wǎng)的電信公共服務(wù)平臺，加速我國光纖到戶建設(shè)的腳步。OPLC兼?zhèn)淞斯饫w通訊傳輸與電力線纜傳輸兩者的功能和兩者的共同優(yōu)點(diǎn)，相比只能傳輸電能的電力線纜而言，光纖復(fù)合電纜OPLC在傳輸數(shù)據(jù)方面具有較高的可靠性，同時(shí)又廉價(jià)且布線方便。此外，OPLC外形尺寸較小、總體質(zhì)量輕、更重要的是減少了土地占用面積及占用的空間資源。OPLC只需一次鋪設(shè)，即避免二次重復(fù)安裝布線，降低了工程消耗的成本費(fèi)用。此光纖復(fù)合電纜還具有良好的彎曲性能和耐側(cè)壓性能。綜上所述，OPLC光纖復(fù)合電纜具有以下的優(yōu)勢：第一，將光單元和電力輸配電纜融合在一起，避免二次布線，因此極大降低施工、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等重復(fù)的鋪設(shè)費(fèi)用。相比傳統(tǒng)的光纖到戶線纜FTTH而言，使用光纖復(fù)合電纜OPLC作為智能電網(wǎng)用戶端接入方式，這種新型的布線方式既可以節(jié)約大量的金屬、管道、塑料等材料資源，還可以極大降低進(jìn)入小區(qū)地段和各戶用戶的安裝成本，是目前國內(nèi)外性價(jià)比最高的“最后一公里”接入方式。第二，光纖復(fù)合電纜OPLC適用于多種業(yè)務(wù)類型，因?yàn)樗邆鋸?qiáng)大的適應(yīng)性能和擴(kuò)展性能。使用OPLC，并在這種電纜上安裝與之相配合相適應(yīng)的設(shè)備和裝置，這便是獲得當(dāng)下最廣泛流行使用的XPON(EPON和GPON)技術(shù)。運(yùn)用已獲得這種技術(shù)即可在一根電力傳輸線上完成實(shí)現(xiàn)各種各樣的用戶業(yè)務(wù)，例如互聯(lián)網(wǎng)接入、家庭智能電表。第三，因?yàn)槔|心及光單元外面有包層及填充層的保護(hù)，因此OPLC具備了其他線纜不具備的機(jī)械性能，其中包括較強(qiáng)的抗沖擊性能和耐測壓性能。此外它擁有非常好的環(huán)境適應(yīng)能力。第四，OPLC選用的材料都具有綠色環(huán)保且具有較高的安全性能的特點(diǎn)。OPLC用于光纖入戶的用戶接入材料，因此OPLC中必須復(fù)合無鹵阻燃、耐火等材料特性來保證用戶的安全，故比其他普通線纜更加安全可靠，同時(shí)又具有環(huán)保特性。OPLC在設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮是光單元結(jié)構(gòu)的選用，層絞式光纜可以包含較多芯數(shù)光纖，比較適宜配網(wǎng)時(shí)光纜的分歧和交接應(yīng)用;蝶形光纜因施工接續(xù)時(shí)可采用快速連接器進(jìn)行冷接，施工快速方便，比較適合入戶應(yīng)用。根據(jù)組網(wǎng)特性和實(shí)際使用芯數(shù)狀況，我們選取中心管式光纜、層絞式光纜和蝶形光纜三種結(jié)構(gòu)作為OPLC的光單元，且光單元由非金屬全介質(zhì)材料組成[4]。層絞式光單元和中心束管式光單元根據(jù)不同的敷設(shè)形式，又分為干式和油膏填充式。干式光單元可以滿足大芯數(shù)垂直敷設(shè)的需要，特別是在高層樓垂直布線中應(yīng)用較多，可以解決垂直敷設(shè)時(shí)油膏滴流問題，為OPLC在不同場合的應(yīng)用提供了方便?？紤]緊套光纖結(jié)構(gòu)對溫度敏感性較大，一般不建議在光纖復(fù)合電纜中應(yīng)用[4]。在實(shí)際復(fù)雜的存在環(huán)境條件下，OPLC中電力線路穩(wěn)定安全運(yùn)行是最基本的要求，這樣才能保障供電具有可靠性。但有時(shí)會遇到惡劣的天氣，例如雷雨、臺風(fēng)天氣就會存在雷擊，更嚴(yán)重的情況會出現(xiàn)電纜外皮破損短路漏電等。遇到這種情況，電纜會發(fā)生故障，與此同時(shí)電纜中的溫度急劇上升。這種情況會威脅到電纜線路的安全運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)通信和供電線路的中斷。因此，需要對光纖復(fù)合電纜的溫度分布特性及光纖中的傳輸損耗特性進(jìn)行探討研究，以提高電纜運(yùn)行的可靠性。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，電纜線芯中銅導(dǎo)體的最高溫度可以達(dá)到90℃，而光纖的性能會受電纜纜心發(fā)熱的影響，另外光纖的原材料比其他部分的材料都脆弱，所以要求將光纖傳輸時(shí)的工作溫度控制在90℃以下。由此可見，在電纜正常工作狀態(tài)的情況下，對光纖復(fù)合電纜OPLC運(yùn)行時(shí)的溫度場和其內(nèi)部的光纖傳輸損耗進(jìn)行仿真研究有著舉足輕重的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國內(nèi)和國外的研究現(xiàn)狀現(xiàn)階段，光纖復(fù)合電纜OPLC成為我國智能電網(wǎng)各個(gè)用戶得好重要接入方式。目前，我國電網(wǎng)用戶的光纖利用率非常低，幾乎接近為零，所以發(fā)展智能電網(wǎng)光纖入戶是的大勢所趨。將基于OPLC設(shè)計(jì)的PFTTH方案與現(xiàn)在使用最多的舊方案相比，OPLC雖然只增加還不到10%的材料成本，例如光纖中的二氧化硅，卻可以使總的線纜成本降低40%左右。目前我國電力電網(wǎng)正在加速推進(jìn)電力光纖OPLC安裝入戶，并將在剛剛?cè)脒x的10個(gè)網(wǎng)省公司開展首批小范圍試點(diǎn)，計(jì)劃在未來以內(nèi)實(shí)現(xiàn)覆蓋4.7萬戶;在不久之前我國電網(wǎng)還與中國電信簽定戰(zhàn)略合作協(xié)議。電網(wǎng)堅(jiān)持秉持"只服務(wù)不競爭"的低姿態(tài)，就是希望努力贏得三網(wǎng)的支持。我國打算在擬定“十二五規(guī)劃方案”后，幫助電網(wǎng)全力推進(jìn)實(shí)施電力光纖入戶方案，并做好在未來迎接用戶迅速爆發(fā)性增長的局面。因此，智能電網(wǎng)和人們目前在大規(guī)模使用的傳統(tǒng)三網(wǎng)開始融合，并逐步向我們走來，我們也要為在不久的將來進(jìn)入這個(gè)多網(wǎng)融合的時(shí)代而做好準(zhǔn)備。同時(shí)，國家電網(wǎng)積極推廣三網(wǎng)融合，這將催生出一個(gè)全新的光纖復(fù)合電纜市場。根據(jù)保守預(yù)測，僅新建住宅對光纖復(fù)合電纜的每年平均的潛在需求就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于350億元，更不用說現(xiàn)在有很多用戶的老式小區(qū)。預(yù)計(jì)2019年市場規(guī)模可達(dá)到突破上百億，復(fù)合增速65%。目前，能夠提供光纖復(fù)合電纜產(chǎn)品的供應(yīng)商僅限中天科技和亨通光電兩大集團(tuán)，此舉也將提升對光通信EPON設(shè)備(烽火通信)的需求預(yù)期[6]。除此之外，由于原先電力部門有一個(gè)專屬的通信微波頻段，近期該波段也將被國家收回，因此近年來非常多的電力公司爭先恐后加快鋪設(shè)光纖通信線路的進(jìn)程。電力部門一般使用ADSS光纜作為電力通信的媒介，這種材備受青睞的原因是它架設(shè)的方式，這種光纜是在已建成的高壓輸電線路桿塔上進(jìn)行加掛，避免了二次布設(shè)，既充分利用了電力部門原先自有的高壓桿塔資源，又極大節(jié)省了人力財(cái)力和施工費(fèi)用。這種光纖到戶的方式是利用早已敷設(shè)好的進(jìn)戶低壓電纜線路中，絲毫不浪費(fèi)電網(wǎng)“最后一公里”資源。將光纖復(fù)合低壓電纜融合到電網(wǎng)本身的資源當(dāng)中，加速推進(jìn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的“共建共享”，極大響應(yīng)并加速完成國家“三網(wǎng)融合”戰(zhàn)略?？梢栽诒苊庵貜?fù)敷設(shè)對社區(qū)居民的正常生活造成嚴(yán)重干擾的前提下完美解決多條用戶線路的施工，這些線路是我們平時(shí)必不可缺的，例如電線、網(wǎng)線、電話線、有線電視線等。OPLC(OpticalFiberCompositeLow-VoltageCable)是繼OPGW、OPPC之后又一個(gè)新型光纖復(fù)合電纜。隨著5G時(shí)代的開始，這種集光纖、輸電線、傳輸信號線為一體的新型電纜，可以解決寬帶入戶、設(shè)備用電、應(yīng)急信號等一系列老式線纜所不能得以解決的傳輸問題;通過PON這一最新技術(shù)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)、語音、視頻業(yè)務(wù)的遠(yuǎn)程傳送，另外還有像基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表這種電表數(shù)據(jù)的透明傳輸,并實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上及時(shí)通知及繳費(fèi)，方便快捷。客戶可以通過建立光纖入戶完成與電網(wǎng)互動的智能家居，隨時(shí)可以通過電視在互聯(lián)網(wǎng)上點(diǎn)播節(jié)目、觀看高清電視頻道。國外的現(xiàn)狀是一般采用分布式光纖拉曼散射溫度傳感器系統(tǒng)(DistributedOpticalFiberRamanTemperatureSensor,DOFRTS)。這是一種成熟的新型高新技術(shù)，它可用于實(shí)時(shí)同步測量空間溫度場，現(xiàn)在已成功廣泛用于檢測工業(yè)制造中。無論在我們生活的哪一方面，光纖都需要兼?zhèn)鋫鬏斆襟w和傳感媒體兩大功能。利用其背向拉曼散射的溫度效應(yīng)，光纖所處空間各點(diǎn)溫度場調(diào)制了光纖中背向拉曼散射的強(qiáng)度(反斯托克斯背向拉曼散射光的強(qiáng)度)，在頻域里，經(jīng)過波分復(fù)用器和光電檢測器采集帶有溫度信息的背向拉曼散射光電信號，再經(jīng)信號調(diào)制、解調(diào)處理后將溫度信息實(shí)時(shí)地從噪聲中提取出來并進(jìn)行顯示。從這一方面看，它是—種典型的光纖溫度通信網(wǎng)絡(luò)；在時(shí)域里，利用光纖中光波的傳播速度和背向光回波的時(shí)間間隔，利用光纖的光時(shí)域反射(OpticalTimeDomainReflection,OTDR)技術(shù)對所測溫度點(diǎn)定位，從這一方面看，它是一種典型的光纖激光溫度雷達(dá)系統(tǒng)，唯一的缺點(diǎn)就是該系統(tǒng)價(jià)格非常昂貴。我國經(jīng)過多年的努力研究和發(fā)展，對特種電纜的應(yīng)用水平已躋身國際前列的地位。我們利用多種特種復(fù)合光纜已建成世界上最完善的、最先進(jìn)安全的電力專用光纖通信網(wǎng)絡(luò)，其中利用較多的特種電纜有：OPGW、OPPC、ADSS等。然而，我國對光纖復(fù)合電纜的研發(fā)生產(chǎn)正處于起步階段，有能力對這種特種電纜研發(fā)并投資生產(chǎn)的企業(yè)商家很少。畢竟想要大力生產(chǎn)OPLC需要通過電網(wǎng)企業(yè)的認(rèn)證來獲得相關(guān)資質(zhì)，同時(shí)還必須具備生產(chǎn)電纜和光纜的能力，綜合技術(shù)的要求較高。雖然目前我國有些廠家已研制出多種光纖復(fù)合電纜的樣品，但是國家對OPLC安全性能所制定的標(biāo)準(zhǔn)還未成熟且處于起草階段，對復(fù)合電纜因溫場變化所產(chǎn)生的光纖傳輸損耗沒有可靠成型的測試方案。光纖復(fù)合電纜中的電力傳輸線芯是由銅或鋁這種導(dǎo)電性能好的金屬導(dǎo)體以及絕緣層組成。電纜的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的要求應(yīng)符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。光單元的主要構(gòu)成由光纖、松套管以及外層護(hù)套。并且松套管與光纖束之間填充阻水油膏。一般在正常運(yùn)行狀態(tài)下，電力傳輸線纜中的導(dǎo)體最高溫度可達(dá)90℃，而光單元中光纖受導(dǎo)體線芯發(fā)熱影響且光纖的材料比其他部分都脆弱，所以務(wù)必將其正常工作溫度控制在90℃以下。此時(shí)的溫度變化及光纖在相應(yīng)變化的溫度下的損耗是我們所要研究的。目前，對光纖復(fù)合電纜OPLC的熱穩(wěn)定性測試還沒有一套成熟可靠穩(wěn)定的測試系統(tǒng)，為了與其迅猛的發(fā)展趨勢相匹配，我們急需一套成熟、簡單、可靠的仿真模型并對其進(jìn)行討論研究。本課題正是基于此現(xiàn)狀下展開對OPLC在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)刻線纜內(nèi)部各特征點(diǎn)溫度變化情況以及光線受溫度影響的傳輸損耗的研究。1.3本文完成的主要工作1.查找與課題相關(guān)的資料，了解國內(nèi)外光纖復(fù)合電纜的研究現(xiàn)狀。研究與OPLC溫度場分布和光纖傳輸損耗理論相關(guān)課題的學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)，做好知識儲備。2.研究OPLC溫度場分布的熱學(xué)仿真理論，并對光纖受熱場影響的傳輸損耗的原理進(jìn)行研究，選用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型對光纖復(fù)合電纜進(jìn)行建模。3.按照任務(wù)書中給定的OPLC電纜參數(shù)，建立恰當(dāng)?shù)哪Ｐ秃?，通過COMSOLMultiphysics仿真軟件對其在穩(wěn)定運(yùn)行的工作狀態(tài)下進(jìn)行模擬分析，得出電纜纜心發(fā)熱的溫度場分布圖以及OPLC中光纖受發(fā)熱影響的熱膨脹和傳輸損耗的圖。4.根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立仿真模型，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。將通過對應(yīng)電流大小纜心所對應(yīng)的理論溫度數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比，判斷出誤差的大小以及指出仿真分析中模型和方法的正確性。

第2章COMSOL軟件介紹及建模2.1COMSOL介紹2.1.1什么是COMSOLMultiphysicsCOMSOLMultiphysics是一套計(jì)算機(jī)模擬軟件包，是一個(gè)用于模擬基于偏微分方程（PEDs）（科學(xué)原理的基本方程）的科學(xué)和工程應(yīng)用的人機(jī)交互式平臺，可用于模擬所有可用偏微分方程描述的物理過程。它提供了一個(gè)完善的多物理場模擬平臺，我們可以使用它來聯(lián)立解決任何耦合的物理場問題。它的特色在于基于已證實(shí)的有限元方法，通過使用其自身的最新高性能求解器，可以快速而且精確地求解復(fù)雜的問題。COMSOLMultiphysics它直觀的結(jié)構(gòu)體系為用戶提供了使用的簡單性和靈活性，為復(fù)雜的多物理場的模擬提供了前所有未有的速度和精度。COMSOLMultiphysics其實(shí)是一套完備的軟件包，它涵蓋了模型創(chuàng)建過程的方方面面。其中包含有畫圖工具（如CAD），有對添加物理場和方程組進(jìn)行說明的界面，各式各樣最優(yōu)化的求解器，還有可視化工具以及后處理工具。自帶的基本應(yīng)用模塊涵蓋了大量物理過程和現(xiàn)象的核心方程描述與應(yīng)用技術(shù)。盡管如此，COMSOLMultiphysics同樣提供了一個(gè)開放的和可擴(kuò)展的平臺，它可以連接并求解任意場耦合方程的問題。它獨(dú)特而又廣泛的靈活性，受到了從大學(xué)生到最尖端的科研人員等所有科學(xué)技術(shù)工作者，工程師和學(xué)者的一致青睞。2.1.2COMSOLMultiphysics的使用1.創(chuàng)建幾何模型COMSOLMultiphysics仿真軟件擁有強(qiáng)大的創(chuàng)建工具，用此創(chuàng)建工具來畫圖，可以得到仿真時(shí)用到的一維，二維乃至三維的數(shù)學(xué)幾何模型。另外在此軟件畫出模型中，還可以和其他軟件相對接并且還能插入用其他軟件創(chuàng)建的幾何模型。與此同時(shí)，軟件還可同時(shí)導(dǎo)入多種格式的二維圖像并將它們轉(zhuǎn)換成能被COMSOLMultiphysics識別并適用的幾何對象。2.定義物理場通過使用軟件插入欄的預(yù)定義當(dāng)中給定的各種模型，我們可以快捷方便的得到模擬各種物理場的模型。在此基礎(chǔ)上，還可再將其他需要的數(shù)值參數(shù)或方程式輸入方程組欄中。這些輸入的參數(shù)性質(zhì)既可以是各項(xiàng)同性也可以是各向異性的；既可以是被模型變量，也可以是其他的空間坐標(biāo)或是時(shí)間函數(shù)。3.劃分有限元網(wǎng)格關(guān)于網(wǎng)格的劃分可以使用軟件自帶的內(nèi)置網(wǎng)格生成器來自動完成。在網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上還可以建立許多非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，例如：三角形或四面體等網(wǎng)格。若是要創(chuàng)建菱形網(wǎng)格就可以通過對二維網(wǎng)格進(jìn)行拉伸或旋轉(zhuǎn)得到。此外之外，還有更加智能的網(wǎng)格調(diào)試方法，例如自適應(yīng)的網(wǎng)格劃分方法，這種方法用在需要提高精度的地方，由軟件自己判斷并進(jìn)行提升。另外我們還可以利用手動控制網(wǎng)格生成器的方法來實(shí)現(xiàn)對幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解。4.求解計(jì)算COMSOLMultiphysics可運(yùn)行線性或非線性系統(tǒng)的非定?；蚨ǔ５哪M。這款軟件強(qiáng)悍的功能主要?dú)w功于其求解器運(yùn)用了最新的數(shù)值分析方法。這種分析方法由計(jì)算機(jī)C++語言編寫成，其中使用了最高級迭代方法，多極前處理器，高級的時(shí)間步進(jìn)算法和本征形式分析。5.對結(jié)果進(jìn)行可視化和后處理COMSOLMultiphysics提供了大量的可視化功能，其中有：所有場變量和其他具體應(yīng)用參數(shù)的交互式繪圖功能在幾何體所有部分中的單獨(dú)的解的可視化功能，同時(shí)可使用切片，等值面，等值線，流線，高度和矢量場繪圖功能。帶有OpenGL硬件加速的高性能繪圖算法使用AVI和QuickTime進(jìn)行動畫制作的功能邊界和子域的集成使用完全的數(shù)字精確性能在幾何結(jié)構(gòu)的任何位置顯示結(jié)果數(shù)據(jù)的功能沿表面和線條的解變量的投影的橫截面和域的繪圖功能，以及對幾何體任何位置的隨時(shí)間變化的變量的繪圖功能。對模型進(jìn)行文件描述的報(bào)告生成器，可以直接打印報(bào)告和把他們保存為可擴(kuò)展的HTML文件。6.執(zhí)行最優(yōu)化和參量分析大多數(shù)情況下，建模過程包括參量分析，最優(yōu)化，迭代設(shè)計(jì)，自動控制或?qū)σ粋€(gè)系統(tǒng)中幾個(gè)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。COMSOLMultiphysics的參量求解器為研發(fā)各種的條件提供了一個(gè)有效方式。另外，自帶的MATLAB接口可以將COMSOLMultiphysics的模型保存為M-files格式，然后將其導(dǎo)MATLAB的腳本來挑選最好的方案并做其他的后期處理。2.2OPLC溫度場的傳熱學(xué)及數(shù)學(xué)建模在電纜中通以交流電讓其保持運(yùn)行時(shí)，由于內(nèi)部損耗等各種問題導(dǎo)致電纜發(fā)熱升溫。設(shè)置自然溫度為20℃的情況下，在電纜加上負(fù)載后，電纜內(nèi)部的溫度值會在開始的這段短時(shí)間內(nèi)升高，這是一個(gè)暫態(tài)過程。經(jīng)過一段時(shí)間后，電纜的溫度保持在一個(gè)穩(wěn)定值，此時(shí)達(dá)到一種平衡狀態(tài)，即內(nèi)部纜心發(fā)熱與外層散熱到達(dá)一種熱平衡狀態(tài)，此時(shí)就叫平穩(wěn)工作狀態(tài)。此外，熱傳遞分為三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。2.2.1溫度場的熱傳導(dǎo)1.熱傳導(dǎo)方程熱傳導(dǎo)簡稱導(dǎo)熱，它的含義是指不同溫度的物體相互接觸或者當(dāng)物體自身內(nèi)部具有溫差時(shí)，在物體各部分之間沒有發(fā)生相對宏觀位移的情況下，通過物質(zhì)的分子、原子或自由電子這些微觀粒子的熱運(yùn)動而進(jìn)行的熱量傳遞方式。熱傳導(dǎo)是一種接觸傳熱，是物體內(nèi)部各部分或物體間溫度分布不均勻的必然結(jié)果，因此熱傳導(dǎo)總是和溫度分布不均聯(lián)系在一起。把連續(xù)介質(zhì)各點(diǎn)在某時(shí)刻的溫度分布稱為溫度場。溫度場是時(shí)間與空間的函數(shù)，在直角坐標(biāo)系中，時(shí)刻t在（x，y，z）處的溫度場可以寫為：T=f(x,y,z,t)(2-1)下式：gradt=n?t?n表示某一時(shí)刻，沿著溫度增加方向上的變化率，叫做“溫度梯度”。式中n為等溫面法線方向上的單位矢量。1882年，法國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家在固體導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出導(dǎo)熱的一般規(guī)律，其一般的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：ρ?p?T上式稱為熱傳導(dǎo)定律，或稱傅里葉定律，這是一個(gè)用來描述瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的方程，其中的負(fù)號表示熱量的傳遞方向與溫度升高的方向相反。式中k稱為熱傳導(dǎo)系數(shù)，也稱為導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W/(m·K)，該系數(shù)表征了物體導(dǎo)熱能力,可以是一個(gè)隨時(shí)間、溫度、或其他任何參數(shù)而變化的參數(shù)。Q為熱流密度，表示研究對象所吸收的熱量，可以是任意的熱源，例如電路中的電阻熱、化學(xué)反應(yīng)過程中的反應(yīng)熱，或者氣體壓縮的壓力功等。ρ為研究對象的密度。Cp為熱熔，表示當(dāng)物質(zhì)吸收熱量溫度升高時(shí)，溫度每升高1K所吸收的熱量[5]。2.熱傳導(dǎo)的邊界條件邊界條件表示對周圍環(huán)境對整個(gè)研究對象的影響，也可以理解為導(dǎo)熱系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的換熱關(guān)系。常見的熱傳導(dǎo)邊界條件可以分為三類。(1)第一類邊界條件給定系統(tǒng)的溫度分布，即溫度邊界。它既可以是不變的常數(shù)值，也可以是時(shí)間和空間的函數(shù)，如方程2-4所示:T|τ1=T其中，當(dāng)T|τ1為常數(shù)時(shí)，是穩(wěn)態(tài)條件，當(dāng)T(Γ,t)表達(dá)式為時(shí)間的函數(shù)時(shí)，是非穩(wěn)態(tài)條件。Γ通常情況下，當(dāng)研究對象中存在一個(gè)溫度恒定的對象時(shí)，可以將它簡化為其他相鄰對象的邊界條件，例如一個(gè)恒溫的加熱元件。(2)第二類邊界條件給定系統(tǒng)邊界發(fā)現(xiàn)外方向上的溫度的導(dǎo)數(shù)值，意味著邊界上有熱流的流入或流出，即熱通量邊界或絕熱邊界。同樣，既可以是不變的常數(shù)值，也可以是時(shí)間和空間的函數(shù)。如方程式2-5所示n?(k?T)Γ2=q其中，當(dāng)?T?n|Γ2Γ2表示第二類邊界條件。(3)第三類邊界條件給定系統(tǒng)的邊界溫度及邊界法線方向溫度導(dǎo)數(shù)值的線性組合關(guān)系，物理意義相當(dāng)于系統(tǒng)與外界有熱交換，實(shí)際上也可以看作是將上述兩種邊界條件進(jìn)行組合，如方程2-6所示：n?通常情況下，當(dāng)研究傳熱物體表面與空氣對流、或者輻射散熱時(shí)，就可以采用這種邊界條件。Text為外界的溫度，h2.2.2OPLC溫度場導(dǎo)熱微分方程的建立及求解對于光纖復(fù)合電纜,其整體溫度隨導(dǎo)體電流增大而升高。當(dāng)導(dǎo)體中運(yùn)行電流達(dá)到穩(wěn)定值時(shí),由于熱傳導(dǎo)的存在，電纜中各部分形成的溫度場也會隨之達(dá)到穩(wěn)定一個(gè)平衡狀態(tài)。因此可以把整個(gè)電纜和土壤溫度場區(qū)域問題看做是穩(wěn)態(tài)內(nèi)有內(nèi)熱源的二維傳熱問題。具有內(nèi)熱源的固體導(dǎo)熱偏微分方程如下：??k此式中：?為溫度梯度；T為溫度場內(nèi)各點(diǎn)溫度；k，c及Q分別為微元體的導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容以及單位體積中內(nèi)熱源的生成熱；t為時(shí)間。熱源區(qū)域（電纜導(dǎo)體，金屬屏蔽層等）的溫度控制方程表示為：?2式中T1為點(diǎn)（x，y）處的溫度；qv根據(jù)邊界條件對公式（2-7）進(jìn)行求解。任何傳熱問題的邊界條件都可以歸結(jié)為3類邊界條件，3類邊界控制方程式如下：?2Tx,yk?T?k?T式中：n為傳熱方向；τ為積分邊界；q2為對流密度；α為對流換熱系數(shù)；Tf為流體溫度2.2.3基于應(yīng)力差的光纖傳輸損耗模型由于電纜運(yùn)行中溫度會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象會讓光纖復(fù)合電纜中纖芯和包層引起熱膨脹。其中光單元和光單元外包層是熔接在一塊的，對它們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，必須選取兩者一樣的長度。當(dāng)電纜纜心溫度升高或發(fā)生其他變化時(shí)，光纖纖芯和光單元包層會受到軸向應(yīng)力。溫度變化引起的軸向應(yīng)力大小及光纖橫截面上的應(yīng)力差可如下表示：F=Eσx式中：F為軸向應(yīng)力；E1為纖芯的彈性模量；S為纖芯和包層接觸面的面積；?α為熱膨脹系數(shù)差；t1為初始溫度；t２為變化后的溫度;σx為光纖微彎產(chǎn)生的應(yīng)力；v為泊松比；E＝7.31×1010Ｎ/ｍ光纖微彎損為αsm式中；NA為數(shù)值孔徑；αm為纖芯半徑；ω0為模場直徑；αｍｍ為數(shù)值孔徑為NＡ、纖芯半徑為αｍ的突變型多模光纖的微彎損耗[11]2.3本章小結(jié)本章首先對本實(shí)驗(yàn)所用到的仿真軟件使用步驟過程和原理進(jìn)行介紹，軟件即COMSOLMultiphysics。然后對課題中用到熱學(xué)原理進(jìn)行了介紹和解釋，該原理中的參數(shù)是用于對光纖復(fù)合電纜溫度場的仿真中的；此外，在COMSOL軟件中對OPLC建立數(shù)學(xué)仿真模型和光纖傳輸損耗模型溫度場的介紹，為下文光纖復(fù)合電纜的溫度仿真及分析光纖所受溫度場影響而產(chǎn)生的損耗提供了理論基礎(chǔ)和測試方法。

第3章OPLC工作狀態(tài)下的溫場及仿真分析3.1引言在整個(gè)歷史長河中，數(shù)學(xué)方法的更新發(fā)展極大推動了物理學(xué)的蓬勃發(fā)展，可見數(shù)學(xué)理論的發(fā)展和物理學(xué)問題的研究二者密不可分。數(shù)學(xué)方法的改朝換代令我們生活的世界也發(fā)生翻天覆地的改變。近年來，數(shù)值分析理論作為數(shù)學(xué)這門學(xué)科中的一個(gè)分支，同時(shí)也在物理學(xué)方面起到了中流砥柱的作用。伴隨著微機(jī)中軟硬件設(shè)備的發(fā)展和提升，數(shù)值分析方法就像一顆明星一樣脫穎而出。數(shù)值分析法能夠運(yùn)用在更廣泛的領(lǐng)域并取代了傳統(tǒng)的解析算法，成為求解現(xiàn)代新型工程和研發(fā)的主要工具。20世紀(jì)70年代以來，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用和突破性發(fā)展，激勵了各種數(shù)值法的發(fā)展。目前，不論是在學(xué)術(shù)研究還是在商用產(chǎn)品制造方面都流行著一種普遍的趨勢。這種趨勢就是將測試實(shí)驗(yàn)與仿真模擬軟件相結(jié)合。所以數(shù)值分析仿真這一科學(xué)理論正在發(fā)揮著越來越重要的作用。數(shù)值分析的方法分為很多種，其中具有代表性的有限差分法、有限元法等。相比于有限差分法而言，有限元法是與其相對立的另一種數(shù)值分析求解方法，這正是本文中所用到的方法。該方法的基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法，基本思路是把求解域離散成有限個(gè)不互不重疊的單元，在每個(gè)單元選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為插入點(diǎn)，然后將待求的偏微分方程中的因變量改寫成依據(jù)節(jié)點(diǎn)上的值插值函數(shù)組成的線性方程組。使自由度問題由一個(gè)連續(xù)無限的變成一個(gè)離散有限的，大大降低了求解難度，從而可以只需用一個(gè)簡便的數(shù)值方法即可求解。本課程設(shè)計(jì)題目使用的是COMSOLMultiphysics，它是一款由許多數(shù)值模擬軟件包所構(gòu)成的大型高級的多物理場仿真軟件，通過有限元法這一基礎(chǔ)方法來仿真出科學(xué)研究中的各種模型，參數(shù)以及方程組。該軟件在多物理場耦合方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，只要是可以用偏微分方程組描述出的數(shù)學(xué)或者物理原理現(xiàn)象，COMSOL都能夠幾乎在不存在誤差情況下將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算模擬仿真出來。本課題研究的對象是光纖復(fù)合低壓電纜OPLC，正如前文第一章所描述，OPLC融合了光纖通信與電力傳輸?shù)墓δ芎凸餐膬?yōu)點(diǎn)，相比單一功能的電力傳輸線纜而言，它具有較高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸功能、低廉的價(jià)格、方便的連接方式等特點(diǎn)。此外，其外形的優(yōu)點(diǎn)有外徑小、總體重量輕、占用土地面積及空間資源少。OPLC只需一次鋪設(shè)，即避免二次重復(fù)安裝布線，降低了工程消耗的成本費(fèi)用。在今后和未來的多元化的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位。雖然大局已定，國家也根據(jù)現(xiàn)狀出臺了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是，對光纖復(fù)合電纜實(shí)際運(yùn)行情況下沒有給出嚴(yán)格的國家標(biāo)準(zhǔn)，所以仍然處于研究狀態(tài)。因此，研究光纖復(fù)合電纜OPLC的工作溫度以及其光單元的傳輸損耗性能有很大的實(shí)際意義[12-15]。3.2OPLC的分析仿真模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)本文仿真所用的光纖復(fù)合電纜OPLC型號為:YJV22-8.7/10-3*240。該型號的電纜中包含了3芯電纜和1芯光單元。使用的OPLC結(jié)構(gòu)模型如圖3-1所示，主要由光單元、導(dǎo)體、外護(hù)套、填充層、絕緣層、鎧裝層和內(nèi)護(hù)套等部分組成。圖3-1OPLC結(jié)構(gòu)模型其中，YJV22指的是銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護(hù)套電力電纜。Y：表示聚乙烯。J：表示交聯(lián)。V：表示聚氯乙烯護(hù)套。第一個(gè)2：表示雙鋼帶鎧裝。第二個(gè)2：表示聚氯乙烯外護(hù)套。圖中在電纜的最外層是外護(hù)套，使用的材料是聚氯乙烯，對電纜整體起到保護(hù)作用。同樣的，保護(hù)纜心和絕緣層的內(nèi)護(hù)套也采用聚氯乙烯材料，顧名思義其作用是使絕緣層不與外界其他物體接觸，比如空氣還有水。其目的就是防止絕緣受潮短路漏電出現(xiàn)故障，同時(shí)防止其不受機(jī)械傷害。電纜中央線芯用的導(dǎo)體金屬是銅，銅導(dǎo)體比呂導(dǎo)體的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能更好，同時(shí)又比金屬銀性價(jià)比高。另外銅作為導(dǎo)體來說還具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性能。電纜的絕緣層用的材料是交聯(lián)聚乙烯（XLPE），絕緣層就是在導(dǎo)體四周包上一層的絕緣用料且要求厚度均勻。這種材料具有很高的絕緣電阻，以及較高的擊穿電壓與電氣強(qiáng)度絕緣性能長期穩(wěn)定等。電纜填充層采用的材料是聚丙烯網(wǎng)狀纖維，因?yàn)殡娎|的纜芯是有多根絕緣線芯絞合組成，在成纜過程中必然會產(chǎn)生縫隙，填充層就是為了增強(qiáng)電纜的纜芯穩(wěn)定性，延長電纜在使用過程中的壽命。同時(shí)保證電纜的圓整，避免擠出護(hù)套時(shí)電纜表面出現(xiàn)麻花形狀，減少電纜護(hù)套在擠出過程中護(hù)套材料的過多使用。光單元結(jié)構(gòu)可以是圓形或者蝶形或者其他結(jié)構(gòu)。其中圓形光單元主要有層絞式和中心管式兩種。光單元中的膏狀填充物一般為電纜油或者瀝青，可以使光單元中水分排出，保持光單元的干燥，延長其使用壽命。圖中數(shù)字表示相應(yīng)層的特征點(diǎn)。仿真時(shí)設(shè)定土壤溫度為20℃，土壤區(qū)域上方為空氣對流層，其余3面均為土壤層。光纖復(fù)合電纜OPLC模型的材料參數(shù)及材料物理參數(shù)（半徑，密度，比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)）如表3-1所示。表3-1材料以及材料參數(shù)位置材料半徑/厚度(mm)密度(kg/m3)比熱容(J/kg.k)導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.k)纖芯銅9.158933486401導(dǎo)體屏蔽層聚乙烯0.709402302.740.38絕緣層交聯(lián)聚乙烯4.50120025260.4絕緣屏蔽層聚烯烴0.709402302.740.38金屬屏蔽層銅0.208933486401填充層聚丙烯網(wǎng)狀纖維.2155.1006.0421.0502內(nèi)護(hù)套聚氯乙烯1.90145010050.14鎧裝鋼0.50785045045外護(hù)套聚氯乙烯3.50145010050.143.3OPLC穩(wěn)定工作狀態(tài)下的仿真結(jié)果在OPLC仿真過程中，設(shè)定工作環(huán)境下的土壤溫度為20℃，同時(shí)電纜運(yùn)行中纜心中的銅導(dǎo)體會產(chǎn)生熱量。為使保持在OPLC安全穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，需要調(diào)節(jié)銅導(dǎo)體的發(fā)熱量。經(jīng)調(diào)節(jié)，OPLC在工作5000s后，銅導(dǎo)體的溫度由20℃升高并保持穩(wěn)定在90℃上下[16]。圖3-2中展示出OPLC在穩(wěn)定工作狀態(tài)下電纜內(nèi)部的溫度場分布，這個(gè)圖是二維的。從圖中可以看出，橫縱坐標(biāo)都代表長度，即能直觀的看出電纜各層結(jié)構(gòu)的尺寸和厚度，其單位為米（m）。右邊顯示出溫度值，單位為攝氏度℃。當(dāng)電纜穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，通過纜心的電流值為1230A。此時(shí)，OPLC電纜的溫度由內(nèi)而外逐漸降低，纜心溫度最高達(dá)到90攝氏度，外護(hù)套的溫度最低為64.3攝氏度。圖3-2穩(wěn)定工作狀態(tài)下電纜的二維溫度場分布圖圖3-3穩(wěn)定工作狀態(tài)下電纜的三維溫度場分布圖圖3-3所示為穩(wěn)定工作狀態(tài)下電纜三維溫度場分布圖。圖中，縱坐標(biāo)為電纜內(nèi)部的溫度值。經(jīng)過5000秒鐘后，OPLC電纜由20攝氏度達(dá)到了穩(wěn)定工作狀態(tài)的90攝氏度。除此之外，我們還選取了OPLC電纜上的五個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析并得到它們的溫度值變化曲線，如圖3-4所示。圖3-4電纜特征點(diǎn)的溫度時(shí)域曲線這五分特征點(diǎn)包括一下這些：特征點(diǎn)1：OPLC電纜外護(hù)套上；特征點(diǎn)2：銅導(dǎo)體絕緣層外部；特征點(diǎn)3：銅導(dǎo)體纜心內(nèi)部；特征點(diǎn)4：光單元外護(hù)套包層上；特征點(diǎn)5:光纖纖芯內(nèi)。由圖3-4觀察可得，這些特征點(diǎn)的溫度變化趨勢都基本保持一致，前段時(shí)間即5000秒以前，電纜特征點(diǎn)的溫度上升速度比較快；在超過5000秒后的時(shí)段，電纜溫度上升的趨勢變得緩慢，直到保持溫度恒定的狀態(tài)。3.4OPLC穩(wěn)定工作狀態(tài)下光單元的仿真結(jié)果本節(jié)將對電纜中的光單元受周圍溫度變化影響所產(chǎn)生的熱膨脹引起的光纖傳輸損耗進(jìn)行仿真探究。光單元模型截面圖如圖3-5。光單元的結(jié)構(gòu)和材料為，最外層為金屬保護(hù)套，光纖為單模光纖，內(nèi)部的填充物為油膏[17]。圖3-5光單元模型截面圖3-6光纖線芯熱膨脹量二維場分布觀察圖3-6可得，圖中橫縱坐標(biāo)代表各結(jié)構(gòu)的厚度，單位為米（m）。在OPLC電纜穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，光單元的溫度由外而內(nèi)是逐漸降低的。光單元最外的外護(hù)套包層靠近發(fā)熱的纜芯，所以溫度值最高，可達(dá)到75攝氏度；而光纖纖芯溫度最低，只有67攝氏度。3.5本章小結(jié)本章首先介紹了本課題仿真所用的光纖復(fù)合電纜OPLC由內(nèi)而外的整體結(jié)構(gòu)以及這些結(jié)構(gòu)中所用到的材料和參數(shù)。利用COMSOLMultiphysics這一仿真軟件建立并模擬出了該型號電纜的仿真模型并輸入了相關(guān)參數(shù)和方程組，然后當(dāng)光纖復(fù)合電纜OPLC處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下對其進(jìn)行模擬仿真。通過仿真實(shí)驗(yàn)，得到了OPLC纜心保持在90攝氏度情況下的二維和三維的溫度分布圖；同時(shí)，利用在圖中所標(biāo)出的特征點(diǎn)對OPLC電纜由外而內(nèi)各部分的溫度變化進(jìn)行仿真，得到溫度變化曲線對比圖，對電纜在運(yùn)行過程中溫度變化有了直觀的展現(xiàn)；另外光纖受到纜心發(fā)熱發(fā)生了熱膨脹，所以根據(jù)光纖的熱膨脹量對光纖損耗進(jìn)行了模擬仿真，最后得到光纖線芯熱膨脹量二維場分布圖，直接體現(xiàn)出了光單元內(nèi)部的溫度變化。

第四章OPLC仿真結(jié)果分析4.1電纜結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)本實(shí)驗(yàn)采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，至今XLPE絕緣電纜已在供電系統(tǒng)使用了約25年，由于它有許多優(yōu)異的性能在許多國家已經(jīng)逐漸取代了紙絕緣電纜交聯(lián)聚乙烯XLPE擁有絕緣材料的所有優(yōu)異性能，歸因于它的電氣和機(jī)械性能，它是在低密度高分子聚乙烯中加入過氧化物制成的，交聯(lián)過程是在加熱和加壓下進(jìn)行，通過這種方法在分子鏈之間形成鍵。因此，性能就從熱塑性變成了熱固性。在中國XLPE絕緣中壓電纜通常是三芯，采用中國標(biāo)準(zhǔn)GB12706。載流量都是根據(jù)IEC60287標(biāo)準(zhǔn)《電纜的連續(xù)負(fù)荷載流量的計(jì)算100%（負(fù)荷因數(shù)）》計(jì)算，并參照依據(jù)以下假定的敷設(shè)條件：（1）中高壓電纜在地下鋪設(shè)深度0.7米；（2）正常運(yùn)行狀態(tài)下的最大導(dǎo)體溫度為90攝氏度；（3）相對電容率（介電常數(shù)）為2.4；（4）土壤熱阻系數(shù)1.0℃?m/W,土壤溫度為25℃[18-19]。4.2溫度場仿真數(shù)據(jù)與理論的分析比較物理場耦合法得到的對應(yīng)載流量的溫度值如圖4-1所示。圖4-1對應(yīng)載流量的溫度值當(dāng)流過電纜中銅導(dǎo)體的電流為1250A時(shí)，多物理場耦合法所對應(yīng)的溫度值為90攝氏度，將在這電流值下用仿真軟件運(yùn)行出來的溫度值與IEC-60287標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的理論溫度值比較，兩者溫度值相差1.56%（＜3%），這就驗(yàn)證了該模型的正確性。由于各種材料纜芯的損耗不同進(jìn)而導(dǎo)致這兩者的差值。IEC-60287標(biāo)準(zhǔn)能夠計(jì)算出電纜損耗，但其特定的條件是必須在某電纜最高工作運(yùn)行溫度的情況下，這樣就使得理論值不夠準(zhǔn)確。而多物理場耦合法得到的光纖復(fù)合電纜的損耗是將電磁場和熱場耦合運(yùn)算得到的，這種方法考慮了提供的參數(shù)隨溫度的變化，因此仿真運(yùn)算得到的最終結(jié)果更接近實(shí)際值。4.3溫度場對光纖損耗的影響在此溫度場研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了光纖傳輸損耗的仿真。仿真中波長=1550nm，入纖功率為1mW，得到的時(shí)均功率Z分量如圖4-2圖4-2時(shí)均功率Z分量實(shí)驗(yàn)選取OPLC的長度為15mm，光單元為12芯，這12芯的光單元構(gòu)成了光纖纖芯。其中仿真采集到光單元外層金屬保護(hù)套的結(jié)果如圖3-4所示。由圖中可以觀察到光單元內(nèi)部以及光纖包層的溫度變化。由一開始的初始溫度即土壤溫度20℃，經(jīng)過1500s的運(yùn)行后，當(dāng)電纜穩(wěn)定工作時(shí)，光纖的溫度也幾乎不再發(fā)生變化，并保持一種穩(wěn)定的狀態(tài)，這與纜心溫度上升趨勢以基本一致。公式（2-14）中給出了在理想情況下的光纖傳輸損耗的計(jì)算公式，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中與理論不同，光纖材料中的各種損耗都會讓理論值發(fā)生變化，例如光纖中的線性散射損耗就會大大增加光纖的傳輸損耗。觀察參數(shù)可知，產(chǎn)生這種誤差是因?yàn)楣饩€中使用不同材料所產(chǎn)生的散射損耗不同。因此，仿真模型得到的仿真值更加符合實(shí)際情況，進(jìn)而也證明了我們設(shè)計(jì)出的仿真模型的可靠性。其實(shí)，每當(dāng)光纖溫度上升1℃時(shí)，它僅會發(fā)生非常微小的形變，這種變化對光在光纖中的傳輸基本沒有影響，所以在實(shí)際工程運(yùn)用中可以忽略不計(jì)。4.4本章小結(jié)本章查閱了載流量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，并將COMSOLMultiphysics的物理場耦合做得到的溫度場仿真結(jié)果與IEC60287標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的理論值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者誤差值都保持在3%以內(nèi)，驗(yàn)證了使用仿真軟件對溫度場數(shù)學(xué)建模的合理性。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)隨著溫度的上升，光纖的溫度與纜心的上升趨勢保持一致，而受溫度影響所產(chǎn)生的傳輸損耗非常小，甚至可以忽略不計(jì)，這對光纖在實(shí)際中的應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用。除此以外，本章還分析了產(chǎn)生誤差的原因，以及仿真軟件與實(shí)際應(yīng)用的差別，仿真所建立的數(shù)學(xué)模型相比實(shí)際情況更加科學(xué)合理。

結(jié)論隨著電力通訊時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，電力光纜憑借著其獨(dú)特的優(yōu)越性在現(xiàn)代社會中起到越來越重要的作用。因此本文中的光纖復(fù)合電纜OPLC便是將傳輸電能的電纜與通訊所用到的光纖有機(jī)的結(jié)合起來。這一產(chǎn)品的出現(xiàn)不僅使得我們充分利用了電力網(wǎng)形成的資源，同時(shí)還極大推進(jìn)了三網(wǎng)融合以及智能電網(wǎng)的“最后一公里”計(jì)劃，因此受到國內(nèi)外各界人士的青睞，并被大力推崇。本課題研究討論了的光纖復(fù)合電纜OPLC的仿真研究過程，并對OPLC電纜的主要模擬仿真參數(shù)以及組成其結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行了介紹。通過在仿真軟件COMSOLMultiphysics中建立相應(yīng)的仿真數(shù)學(xué)模型，對光纖復(fù)合電纜OPLC在正常運(yùn)行狀態(tài)下的溫度場分布以及光纖傳輸損耗進(jìn)行建模仿真。通過軟件中的模擬仿真，我們得到電纜穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)電纜結(jié)構(gòu)中由內(nèi)而外所標(biāo)注的特征點(diǎn)的溫度變化曲線；由于光線較為脆弱因而會根據(jù)纜心發(fā)熱而發(fā)生結(jié)構(gòu)變化和傳輸損耗，由此仿真實(shí)驗(yàn)得到了光纖由于溫度產(chǎn)生的應(yīng)力形變和并判斷光纖的傳輸損耗。仿真發(fā)現(xiàn)，在OPLC穩(wěn)定工作狀態(tài)下光纖的傳輸損耗變化較小，驗(yàn)證了仿真的合理性。由于種種原因，本文仍有以下幾個(gè)方面需要改進(jìn)：該仿真選取的電纜型號為：YJV22-8.7/10-3*240，只對這一種型號的電纜進(jìn)行了研究。對于其他型號的光纖復(fù)合電纜中的溫度場分布以及光纖傳輸損耗沒有進(jìn)行仿真研究，所以有待于在以后的仿真中做更深入的研究。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，沒有通過搭建實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺來測量出實(shí)際的光線損耗值，從而沒有得到確切OPLC的光纖損耗值和理論數(shù)據(jù)，這需要在以后的實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)完善。另外