一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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：
6.(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；
7.(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；
8.(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；
9.(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；
10.(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。
11.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：
[0012][0013]
式中，e为电场强度；为电位。
[0014]
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；
[0015]
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：
[0016][0017][0018]
重粒子通过多组分扩散运输方程来描述：
[0019][0020][0021]
耦合步骤(1)中的泊松方程对气体放电进行模拟，获得空气放电过程的电导率、电流密度分布参数。
[0022]
进一步地，步骤(1)与(2)对电缆破损位置气体放电过程进行仿真，获得电缆破损位置的空气电导率、电流密度参数的分布，将其作为电缆电弧仿真模型的初始值，按坐标映射到电缆电弧仿真模型的网格上；气体放电模型基于气体的流体化学反应模型，而电缆电弧仿真模型基于流体动力学模型和电磁场模型，三种模型使用的网格不同，通过三维空间插值实现多个物理场之间的数据交换，构建多物理场数据交互接口，具体方法为：要获得电弧场域中任意一个网格的中心点p上的物理场参数值，查找得到涵盖p点的六面体的8个顶点，通过线性插值插值获得p点所在的abcd平面的顶点坐标和物理场参数值，将三维空间的插值问题降维为二维平面的插值问题；同样，通过线性插值获得p点所在的线段(n
x0
,n
x1
)上顶点坐标和场量，将二维平面插值降维为一维插值，最后插值得到p点上的物理场参数值。
[0023]
进一步地，步骤(4)中，多物理场数据的多线程并行计算模式的实现方法为：将n个三维空间插值任务按用户设置的并行数量k进行分解并分组，形成k个插值任务组，每个子任务组中有个n/k子任务；将k个三维空间插值任务组分配到计算机cpu的k个线程上进行插值计算，这k个任务组之间是异步并行关系，而每个任务组中的子任务之间为串行关系；设一个插值子任务所需时间为t，则理论上并行计算所需时间为(n
×
t)/k；
[0024]
为了提高效率，采用动态分配方法调节每一个任务组；在并行计算中实时检测各任务组中未完成子任务数量，当检测到某几个任务组中子任务相比其他任务组更少，则将与其相邻任务组的子任务队列的最后一个子任务转移到这些计算较快的任务组上，最大程度上保证每个任务组中的子任务数量的一致。
[0025]
进一步地，步骤(5)中，基于磁流体动力学理论构建电缆电弧仿真模型，所述电缆电弧仿真模型由电缆流体动力模型和电缆电磁场有限元模型两部分交替计算，电缆电磁场有限元模型用于计算电缆电弧的电流密度分布，电缆流体动力模型用于计算电缆电弧的发热和运动；
[0026]
按照电缆实际结构建立电缆的几何模型，并按照电磁场有限元仿真的需求和流体动力学仿真的需求分别划分用于电缆电磁场有限元模型的网格和用于电缆流体动力模型的网格；
[0027]
通过步骤(3)和(4)将步骤(1)和(2)计算得到的空气电导率、电流密度按坐标映射到电缆电磁场有限元模型的网格上，作为电缆电磁场有限元模型的初始值；电缆电磁场有限元模型计算得到当前时间步t的电缆电弧的电流密度j分布；
[0028]
将电缆电磁场有限元模型计算得到的电流密度j通过步骤(3)和(4)，按坐标映射到电缆流体动力模型的网格上；
[0029]
按照w＝j/σ计算电缆流体动力模型每个单元上的热功率w，作为电弧发热计算的源项；电缆流体动力模型计算得到下一个时间步t δt的电缆电弧的温度t分布；
[0030]
将电缆流体动力模型计算得到的电弧温度t通过步骤(3)和(4)，按坐标映射到电缆电磁场有限元模型的网格上，计算t 2δt时间步电缆电弧的电流密度j分布；按照这一耦合逻辑，使电缆电磁场有限元模型和电缆流体动力模型交替计算直到电流过零；
[0031]
当电流过零，电弧趋于熄灭；通过步骤(1)判断电缆电弧是否存在重燃可能，若存在重燃的可能，则继续下一个周期电缆电弧的计算；若不存在重燃的可能，则计算结束。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该方法基于电磁场和流体化学反应理论建立电缆破损位置非均匀电场模型和电缆破损位置气体放电模型，对电缆绝缘表皮破损处的非均匀电场和空气放电过程进行仿真，为电弧的仿真提供先导计算。然后，通过三维空间插值构建不同物理场之间的数据交互接口，对于使用不同网格结构的多个物理场模型，实现多个物理场求解器的场域数据与传输目标求解器网格之间的映射，从而完成不同物理场模型之间的数据交互，为电缆炭化电弧的多物理场耦合仿真奠定基础。同时，采用多线程并行计算模式实现高效计算，对三维空间插值任务进行分解，生成多个任务组，分配计算机cpu的线程，实现多个插值任务组的异步并行计算，通过动态分配各任务组的子任务数量，大幅度提高多物理场三维空间插值计算的效率。最后，基于磁流体动力学理论构建电缆电弧仿真模型，对电弧燃烧过程进行仿真，计算电弧的电气参数和温度。该方法能够对不同类型的电缆进行建模，能够模拟不同电缆材料、不同形状的电缆破损下的放电情况，实现对电缆炭化路径过程电弧的仿真。
附图说明
[0033]
图1是本发明实施例的方法实现流程图。
[0034]
图2是本发明实施例中电缆的几何模型示意图。
[0035]
图3是本发明实施例中三维空间插值的示意图。
[0036]
图4是本发明实施例中多物理场数据的多线程并行计算模式示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0038]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0039]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0040]
如图1所示，本实施例提供了一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，包括以下步骤：
[0041]
(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。
[0042]
(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。
[0043]
(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。
[0044]
(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。
[0045]
(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。
[0046]
(1)建立电缆破损位置非均匀电场模型
[0047]
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；绝缘表皮等其他部位设置为悬浮电位。在本实施例中，电缆的几何模型如图2所示。
[0048]
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：
[0049][0050]
式中，e为电场强度；为电位。
[0051]
(2)建立电缆破损位置气体放电模型
[0052]
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，如果存在放电的可能，则启动所述电缆破损位置气体放电模型。
[0053]
气体放电过程处于非热力学平衡状态，放电过程包含着基态和激发态原子或分子、电子、正负离子等粒子。在放电发生时，这些物质之间会相互碰撞，从而引发原子和分子的内能变化，产生激发、分解和电离等过程。
[0054]
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：
[0055][0056][0057]
将n 、n2 、o、o 等质量较大的粒子视为重粒子，重粒子通过多组分扩散运输方程来描述：
[0058][0059][0060]
耦合步骤(1)中的泊松方程对气体放电进行模拟，获得空气放电过程的电导率、电流密度分布等参数。
[0061]
空气气体放电化学反应组分如表1所示。
[0062]
表1空气放电化学反应
[0063]
e n2→
e n2f(ε)e n2→
e n2sf(ε)e n2s
→
e n2f(ε)e n2→
2e n2 f(ε)e o2→
e o2f(ε)e o2→
e o2sf(ε)e o2s
→
e o2f(ε)e o2→
o o-f(ε)e o2s
→
2e o
2
f(ε)e o
4
→
2o21.4
×
10-12
(300/te)e o
2
→
e 2o2.42
×
10-13
(300/te)e 2o2→
o2 o
2-2
×
10-41
(300/te)e n2 n
2
→
2n26.07
×
10-34
t
e-2.5
2e n
2
→
n2 e5.651
×
10-27
t
e-0.8
[0064]
注：e为电子；f(ε)为碰撞截面数据。
[0065]
(3)建立基于三维空间插值的多物理场数据映射接口
[0066]
步骤(1)与(2)对电缆破损位置气体放电过程进行仿真，获得电缆破损位置的空气电导率、电流密度等参数的分布，将其作为电缆电弧仿真模型的初始值，按坐标映射到电缆电弧仿真模型的网格上；气体放电模型基于气体的流体化学反应模型，而电缆电弧仿真模型基于流体动力学模型和电磁场模型，三种模型使用的网格不同，因此需要实现多个物理场求解器的场域数据与传输目标求解器网格之间的映射。本发明通过三维空间插值实现多个物理场之间的数据交换，构建多物理场数据交互接口，三维空间插值如图3所示，具体方法为：要获得电弧场域中任意一个网格的中心点p上的物理场参数值，查找得到涵盖p点的六面体的8个顶点，通过线性插值插值获得p点所在的abcd平面的顶点坐标和物理场参数
值，将三维空间的插值问题降维为二维平面的插值问题；同样，通过线性插值获得p点所在的线段(n
x0
,n
x1
)上顶点坐标和场量，将二维平面插值降维为一维插值，最后插值得到p点上的物理场参数值。
[0067]
(4)构建多物理场数据的多线程并行计算模式
[0068]
仿真模型往往由几十万甚至上百万个网格组成，如果通过串行方式进行数据映射会导致插值的效率低下，因此，本发明提出了多线程并行计算的多物理场数据交互接口。如图4所示，多物理场数据的多线程并行计算模式的实现方法为：将n个三维空间插值任务按用户设置的并行数量k进行分解并分组，形成k个插值任务组，每个子任务组中有个n/k子任务；将k个三维空间插值任务组分配到计算机cpu的k个线程上进行插值计算，这k个任务组之间是异步并行关系，而每个任务组中的子任务之间为串行关系；设一个插值子任务所需时间为t，则理论上并行计算所需时间为(n
×
t)/k。
[0069]
然而按照步骤(3)中的理论，在实际插值过程中，需要查找插值点p邻近的八个坐标点，会导致每一个插值子任务完成所需时间不相同。若某一个任务组的子任务耗时较高，则会拖慢整体的计算时间(即木桶效应)。为了提高效率，采用动态分配方法调节每一个任务组；在并行计算中实时检测各任务组中未完成子任务数量，当检测到某几个任务组中子任务相比其他任务组更少，则将与其相邻任务组的子任务队列的最后一个子任务转移到这些计算较快的任务组上，最大程度上保证每个任务组中的子任务数量的一致，从而避免木桶效应。
[0070]
(5)构建电缆电弧仿真模型
[0071]
基于磁流体动力学理论构建电缆电弧仿真模型，所述电缆电弧仿真模型由电缆流体动力模型和电缆电磁场有限元模型两部分交替计算，电缆电磁场有限元模型用于计算电缆电弧的电流密度分布，电缆流体动力模型用于计算电缆电弧的发热和运动。
[0072]
按照电缆实际结构建立电缆的几何模型，并按照电磁场有限元仿真的需求和流体动力学仿真的需求分别划分用于电缆电磁场有限元模型的网格和用于电缆流体动力模型的网格。
[0073]
通过步骤(3)和(4)将步骤(1)和(2)计算得到的空气电导率、电流密度等结果按坐标映射到电缆电磁场有限元模型的网格上，作为电缆电磁场有限元模型的初始值；电缆电磁场有限元模型计算得到当前时间步t的电缆电弧的电流密度j分布。
[0074]
将电缆电磁场有限元模型计算得到的电流密度j通过步骤(3)和(4)，按坐标映射到电缆流体动力模型的网格上。按照w＝j/σ(σ为电导率)计算电缆流体动力模型每个单元上的热功率w，作为电弧发热计算的源项。电缆流体动力模型计算得到下一个时间步t δt(δt为时间步长)的电缆电弧的温度t分布。
[0075]
将电缆流体动力模型计算得到的电弧温度t通过步骤(3)和(4)，按坐标映射到电缆电磁场有限元模型的网格上，计算t 2δt时间步电缆电弧的电流密度j分布；按照这一耦合逻辑，使电缆电磁场有限元模型和电缆流体动力模型交替计算直到电流过零。
[0076]
当电流过零，电弧趋于熄灭。通过步骤(1)判断电缆电弧是否存在重燃可能，若存在重燃的可能，则按照步骤(1)
→
步骤(2)
→
步骤(5)继续下一个周期电缆电弧的计算；若不存在重燃的可能，则计算结束。
[0077]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任
何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。