[发明专利]一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法

说明书

本发明涉及一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，包括以下步骤：（1）建立电缆破损位置非均匀电场模型，对电缆绝缘表皮破损处的非均匀电场进行仿真；（2）建立电缆破损位置气体放电模型，对电缆绝缘表皮破损处的空气放电过程进行仿真；（3）建立基于三维空间插值的多物理场数据映射接口，以实现多个物理场之间的数据交换；（4）构建多物理场数据的多线程并行计算模式，以提高计算效率；（5）构建电缆电弧仿真模型，对电缆破损下电缆炭化路径过程电弧进行仿真。该方法有利于对电缆炭化路径过程电弧进行仿真。

技术领域

本发明属于电气设备领域，具体涉及一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法。

背景技术

随着城市化、工业化进程的加快，电力电缆在配电网中的应用越来越广泛。电力电缆在运行过程中，存在短路、过载等危险,有可能会引发电气火灾。电气火灾不仅会导致电力传输、使用的中断，造成重大的社会经济损失，此外，火灾燃烧产生的烟雾和有毒有害气体还有会造成严重的环境污染，影响周边人员的健康和安全。近十年我国电气火灾起数所占比例一直位居各类火灾起因之首位，并且电气火灾发生比例仍处于上升趋势，电气火灾所造成的直接损失高达40％。经调查发现，50％的电气火灾是由电缆燃烧引起的，因此，作为输配电系统的重要组成部分，电缆的安全运行越来越受到重视。

电缆在运行过程中，因外力拉拽、长期发热、氧化腐蚀等原因容易造成电缆绝缘表皮的破损、老化以及绝缘性能下降，在长期通电过程中在绝缘表皮局部破损的地方，由于畸变电场将引发绝缘表皮破损处的局部放电现象，产生间歇性电弧。电弧的温度往往能够达到3000℃以上，高温将使得绝缘表皮被灼烧，加剧绝缘表皮破损位置聚合物绝缘材料的介质劣化。在高温的长时间作用下电缆绝缘表皮会发生化学分解而失去绝缘能力，有可能在电缆导体之间产生漏电电流，引起电缆高温，还有可能在电缆导体之间产生电弧、电火花，点燃周围的可燃物引发电气火灾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，该方法有利于对电缆炭化路径过程电弧进行仿真。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，包括以下步骤：

(1)建立电缆破损位置非均匀电场模型，对电缆绝缘表皮破损处的非均匀电场进行仿真；

(2)建立电缆破损位置气体放电模型，对电缆绝缘表皮破损处的空气放电过程进行仿真；

(3)建立基于三维空间插值的多物理场数据映射接口，以实现多个物理场之间的数据交换；

(4)构建多物理场数据的多线程并行计算模式，以提高计算效率；

(5)构建电缆电弧仿真模型，对电缆破损下电缆炭化路径过程电弧进行仿真。

进一步地，步骤(1)中，按照电缆的实际结构建立电缆的几何模型，通过电磁场有限元理论建立电缆破损位置的稳态电场模型；将其中一根导体设置为电源端，加载激励电压；另一根导体设置为接地端，加载零电位；其他部位设置为悬浮电位；仿真得到电缆破损位置的场强分布和电压分配特性，判断电缆破损位置是否会发生放电现象；电场的泊松方程如下：

式中，E为电场强度；为电位。

进一步地，步骤(2)中，按照电缆的实际结构建立电缆的几何模型，所述几何模型包含电缆的导体和绝缘层，导体和绝缘层材料按照电缆的实际情况设置；按照电缆的破损情况通过布尔运算在电缆模型上建立出破口形状，将破口位置材料填充为空气；根据步骤(1)求得的电场情况判断电缆破损位置是否会发生放电现象，是则启动所述电缆破损位置气体放电模型；

通过流体化学反应理论建立电缆破损位置起弧过程的物理模型；在流体动力学模型的基础上，结合气体放电过程中产生的化学反应，考虑电子与电子以及电子与一、二次电离离子间的碰撞，电子通过电子运输方程来描述：