交直流电力电缆温度场有限元仿真与散热优化分析
摘要
电力电缆在运行过程中因焦耳热效应产生温升，温度场分布直接影响电缆的载流量、绝缘寿命和运行可靠性。交流电缆与直流电缆在发热机理上存在本质差异：交流电缆除导体直流电阻损耗外，还需计及集肤效应、邻近效应及介质损耗；直流电缆则以直流电阻损耗为主，绝缘损耗贡献极小。本文基于热传导理论，建立电力电缆二维轴对称热传导有限元模型，系统开展额定负荷工况、多工况对比及散热优化三大类仿真分析。通过交直流温度对比、过载工况、不同敷设间距（0.2 m/0.3 m/0.4 m）、高温环境（35 ℃/40 ℃）以及三种散热优化方案的仿真对比，揭示交流电缆损耗特性与温度场分布规律，为电缆载流量设计与热管理优化提供理论依据。本文同时提供基于MATLAB PDE Toolbox和Python Scikit-fem的完整仿真代码及详细解释，涵盖网格划分、求解器配置、结果后处理等核心步骤。
第1章 引言
1.1 研究背景与意义
电力电缆是电力系统中不可缺少的输电设备，其安全运行直接关系到电网的可靠供电。电缆在长期运行过程中因电流通过导体产生焦耳热，导致缆芯温度升高。当温度超过绝缘材料的长期允许工作温度时，绝缘材料加速老化，寿命缩短，严重时可能引发绝缘击穿和火灾事故。因此，精确计算电缆的温度场分布，分析不同工况下的温升特性，对于电缆载流量设计、敷设方案优化和运行状态评估具有重要的工程价值。
交流电缆和直流电缆在发热机理上存在显著差异。交流电缆运行时，导体电流呈现交变特性，集肤效应和邻近效应导致实际交流电阻大于直流电阻，
