[發明專利]一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法

在審

• 申請號: 202211259284.7
• 申請日: 2022-10-14
• 公開（公告）號: CN115438552A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 許志紅;唐昭暉;葉驍勇;謝振華;杜量
• 申請（專利權）人: 福州大學;浙江省機電產品質量檢測所有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/10;G06F113/16
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 張燈燦;蔡學俊

1.一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)建立電纜破損位置非均勻電場模型，對電纜絕緣表皮破損處的非均勻電場進行仿真；

(2)建立電纜破損位置氣體放電模型，對電纜絕緣表皮破損處的空氣放電過程進行仿真；

(3)建立基于三維空間插值的多物理場數據映射接口，以實現多個物理場之間的數據交換；

(4)構建多物理場數據的多線程并行計算模式，以提高計算效率；

(5)構建電纜電弧仿真模型，對電纜破損下電纜炭化路徑過程電弧進行仿真。

2.根據權利要求1所述的一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法，其特征在于，步驟(1)中，按照電纜的實際結構建立電纜的幾何模型，通過電磁場有限元理論建立電纜破損位置的穩態電場模型；將其中一根導體設置為電源端，加載激勵電壓；另一根導體設置為接地端，加載零電位；其他部位設置為懸浮電位；仿真得到電纜破損位置的場強分布和電壓分配特性，判斷電纜破損位置是否會發生放電現象；電場的泊松方程如下：

式中，E為電場強度；為電位。

3.根據權利要求2所述的一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法，其特征在于，步驟(2)中，按照電纜的實際結構建立電纜的幾何模型，所述幾何模型包含電纜的導體和絕緣層，導體和絕緣層材料按照電纜的實際情況設置；按照電纜的破損情況通過布爾運算在電纜模型上建立出破口形狀，將破口位置材料填充為空氣；根據步驟(1)求得的電場情況判斷電纜破損位置是否會發生放電現象，是則啟動所述電纜破損位置氣體放電模型；

通過流體化學反應理論建立電纜破損位置起弧過程的物理模型；在流體動力學模型的基礎上，結合氣體放電過程中產生的化學反應，考慮電子與電子以及電子與一、二次電離離子間的碰撞，電子通過電子運輸方程來描述：

重粒子通過多組分擴散運輸方程來描述：

耦合步驟(1)中的泊松方程對氣體放電進行模擬，獲得空氣放電過程的電導率、電流密度分布參數。

4.根據權利要求3所述的一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法，其特征在于，步驟(1)與(2)對電纜破損位置氣體放電過程進行仿真，獲得電纜破損位置的空氣電導率、電流密度參數的分布，將其作為電纜電弧仿真模型的初始值，按坐標映射到電纜電弧仿真模型的網格上；氣體放電模型基于氣體的流體化學反應模型，而電纜電弧仿真模型基于流體動力學模型和電磁場模型，三種模型使用的網格不同，通過三維空間插值實現多個物理場之間的數據交換，構建多物理場數據交互接口，具體方法為：要獲得電弧場域中任意一個網格的中心點P上的物理場參數值，查找得到涵蓋P點的六面體的8個頂點，通過線性插值插值獲得P點所在的abcd平面的頂點坐標和物理場參數值，將三維空間的插值問題降維為二維平面的插值問題；同樣，通過線性插值獲得P點所在的線段(n_x0,n_x1)上頂點坐標和場量，將二維平面插值降維為一維插值，最后插值得到P點上的物理場參數值。

5.根據權利要求1所述的一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法，其特征在于，步驟(4)中，多物理場數據的多線程并行計算模式的實現方法為：將n個三維空間插值任務按用戶設置的并行數量k進行分解并分組，形成k個插值任務組，每個子任務組中有個n/k子任務；將k個三維空間插值任務組分配到計算機CPU的k個線程上進行插值計算，這k個任務組之間是異步并行關系，而每個任務組中的子任務之間為串行關系；設一個插值子任務所需時間為t，則理論上并行計算所需時間為(n×t)/k；

為了提高效率，采用動態分配方法調節每一個任務組；在并行計算中實時檢測各任務組中未完成子任務數量，當檢測到某幾個任務組中子任務相比其他任務組更少，則將與其相鄰任務組的子任務隊列的最后一個子任務轉移到這些計算較快的任務組上，最大程度上保證每個任務組中的子任務數量的一致。

6.根據權利要求1所述的一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法，其特征在于，步驟(5)中，基于磁流體動力學理論構建電纜電弧仿真模型，所述電纜電弧仿真模型由電纜流體動力模型和電纜電磁場有限元模型兩部分交替計算，電纜電磁場有限元模型用于計算電纜電弧的電流密度分布，電纜流體動力模型用于計算電纜電弧的發熱和運動；

按照電纜實際結構建立電纜的幾何模型，并按照電磁場有限元仿真的需求和流體動力學仿真的需求分別劃分用于電纜電磁場有限元模型的網格和用于電纜流體動力模型的網格；

通過步驟(3)和(4)將步驟(1)和(2)計算得到的空氣電導率、電流密度按坐標映射到電纜電磁場有限元模型的網格上，作為電纜電磁場有限元模型的初始值；電纜電磁場有限元模型計算得到當前時間步t的電纜電弧的電流密度J分布；

將電纜電磁場有限元模型計算得到的電流密度J通過步驟(3)和(4)，按坐標映射到電纜流體動力模型的網格上；按照W＝J/σ計算電纜流體動力模型每個單元上的熱功率W，作為電弧發熱計算的源項；電纜流體動力模型計算得到下一個時間步t+Δt的電纜電弧的溫度T分布；

將電纜流體動力模型計算得到的電弧溫度T通過步驟(3)和(4)，按坐標映射到電纜電磁場有限元模型的網格上，計算t+2Δt時間步電纜電弧的電流密度J分布；按照這一耦合邏輯，使電纜電磁場有限元模型和電纜流體動力模型交替計算直到電流過零；

當電流過零，電弧趨于熄滅；通過步驟(1)判斷電纜電弧是否存在重燃可能，若存在重燃的可能，則繼續下一個周期電纜電弧的計算；若不存在重燃的可能，則計算結束。