[发明专利]一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法

权利要求书

1.一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，其特征在于，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：

重粒子通过多组分扩散运输方程来描述：

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。

4.根据权利要求3所述的一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，其特征在于，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；

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。

6.根据权利要求1所述的一种电缆炭化路径过程电弧的仿真方法，其特征在于，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；

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；

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；

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；

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；

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。