[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

本發明涉及一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法，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。該方法有利于對電纜炭化路徑過程電弧進行仿真。

技術領域

本發明屬于電氣設備領域，具體涉及一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法。

背景技術

隨著城市化、工業化進程的加快，電力電纜在配電網中的應用越來越廣泛。電力電纜在運行過程中，存在短路、過載等危險,有可能會引發電氣火災。電氣火災不僅會導致電力傳輸、使用的中斷，造成重大的社會經濟損失，此外，火災燃燒產生的煙霧和有毒有害氣體還有會造成嚴重的環境污染，影響周邊人員的健康和安全。近十年我國電氣火災起數所占比例一直位居各類火災起因之首位，并且電氣火災發生比例仍處于上升趨勢，電氣火災所造成的直接損失高達40％。經調查發現，50％的電氣火災是由電纜燃燒引起的，因此，作為輸配電系統的重要組成部分，電纜的安全運行越來越受到重視。

電纜在運行過程中，因外力拉拽、長期發熱、氧化腐蝕等原因容易造成電纜絕緣表皮的破損、老化以及絕緣性能下降，在長期通電過程中在絕緣表皮局部破損的地方，由于畸變電場將引發絕緣表皮破損處的局部放電現象，產生間歇性電弧。電弧的溫度往往能夠達到3000℃以上，高溫將使得絕緣表皮被灼燒，加劇絕緣表皮破損位置聚合物絕緣材料的介質劣化。在高溫的長時間作用下電纜絕緣表皮會發生化學分解而失去絕緣能力，有可能在電纜導體之間產生漏電電流，引起電纜高溫，還有可能在電纜導體之間產生電弧、電火花，點燃周圍的可燃物引發電氣火災。

發明內容

本發明的目的在于提供一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法，該方法有利于對電纜炭化路徑過程電弧進行仿真。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種電纜炭化路徑過程電弧的仿真方法，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。

進一步地，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。

進一步地，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：