1.本发明属于电力电缆领域，具体涉及一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法。
背景技术：2.随着社会的发展，城市化和工业化的加快，对用电安全的要求越来越高。电力电缆是配电网和建筑电器中的重要部分。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。目前，国内的电缆绝缘层所采用的材料主要为聚氯乙烯或交联聚乙烯等碳氢化合物。这些绝缘层材料具有可燃性，例如聚氯乙烯的燃点为120℃，燃烧时会产生的高达19000-46000kj的热量；当温度超过240℃时，聚氯乙烯会发生明显的化学分解，释放出hcl等可燃气体；当温度超过470℃时，聚氯乙烯完全碳化。为了提高电缆的燃点，常在电缆绝缘材料中加入阻燃材料，然而在长时间高温作用下，电缆绝缘表皮仍然会出现化学分解并失去绝缘能力，甚至产生明显的火焰。
3.电缆在长期通电过程中，由于绝缘破损、漏电电流等原因，绝缘表皮破损处可能产生电弧。电弧的温度一般在3000℃以上，远高于电缆绝缘材料的燃点，有可能点燃绝缘表皮，造成绝缘材料的分解，加剧电缆绝缘材料的劣化，进一步加剧电弧。严重时，会引发电气火灾，甚至危害到人员的生命安全。同时，绝缘材料的分解会产生大量的co、hcl等有害气体以及烟气，导致人员中毒。因此研究电弧热源下电缆绝缘材料的分解过程对电缆火灾的预防以及电缆火灾的消防工作都具有重要意义。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，该方法有利于模拟电缆的电弧和火焰的发展情况和电缆材料的分解情况。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，包括以下步骤：
6.构建电缆动态电弧热源仿真模型，基于磁流体动力学理论模拟电弧的发展过程，计算电弧的电、热、气流参数的动态特性；
7.构建电缆绝缘材料炭化生成物的物性参数测试实验平台，基于压片法测定电缆绝缘材料热分解生成物的电导率、热导率、热释放速率和质量损失速度参数；
8.构建耦合电弧热源的电缆绝缘材料燃烧仿真模型，以电弧温度作为电缆绝缘表皮燃烧的点火源，采用有限反应速率燃烧模型仿真电缆绝缘表皮的燃烧过程，计算燃烧过程中火焰的温度、热释放速率随时间变化的数据及烟气的生成和流动；
9.构建耦合电弧热源和火焰热源的电缆绝缘材料热分解过程模型，耦合电弧热源和火焰热源产生的温度，通过流固耦合、热传导和电缆绝缘表皮聚合物材料的分阶段物质变化，模拟电缆绝缘表皮在电弧高温作用下的分解和炭化物质积聚过程；
10.构建气流作用下电缆热分解产物分布模型，模拟电缆热分解生成物在电弧和火焰
导致的气流下的运动和分布情况。
11.进一步地，所述电缆动态电弧热源仿真模型按如下方法进行仿真模拟：
12.在仿真初始时刻，首先初始化电弧弧柱区域温度，按照电弧温度计算电弧各单元的电导率σ，然后计算回路中的电流i的大小；
13.建立电缆电磁场模型，设置激励源为电流激励源，大小为i，求解0时刻电弧的电流密度j；
14.建立电缆的流体场模型，用于考虑空气、电缆导体和电缆绝缘表皮的流固耦合；将电流密度j和电导率σ加载到电缆的流体场模型，计算焦耳热w，求解动量守恒方程、能量守恒方程，得到δt时刻的电弧温度t；
15.重新建立电缆电磁场模型，将δt时刻的电弧温度t导入电缆电磁场模型，计算δt时刻电弧的电流密度j；
16.更新电缆的流体场模型的焦耳热w，求解动量守恒方程、能量守恒方程，得到2δt时刻的电弧温度；
17.按照上述逻辑过程计算直到求解结束；步骤(1)求解过程中每一个时刻的电缆电弧温度t都作为步骤(3)和步骤(4)中的热源，按时间步耦合到步骤(3)和步骤(4)的模型当中。
18.进一步地，所述电缆绝缘材料炭化生成物的物性参数测试实验平台按如下方法进行测定工作：
19.获取电缆热解产物的黑色混合物粉末，与pvp粘结剂粉体混合研磨，质量比为1:2至1：3，置于压片机内，压制成具有一定厚度的圆片状薄片；
20.将制备好的圆片状样品置于平顶状电极之间，电极内附带收集电流电压温度数据的热电偶，通入电流；
21.实验前对样品进行预处理，维持设定温度一定时间，低于pvc热解温度，以去除样品中可能存在的水分和挥发性气体；
22.然后进行多次热循环，循环过程中电流呈等值增大，每组电流保持设定时间，由热电偶记录样品对应电流的电压和温度；
23.按照下式计算样品电导率：
[0024][0025]
式中，σ为电导率，i为电流，h为样品高度，u为样品两端的电压，d为样品直径；
[0026]
对于电缆热解产物的热导率，采用导热仪直接测量；
[0027]
对于电缆绝缘材料的热释放速率和质量损失率，采用热重分析仪及锥形量热仪进行测量。
[0028]
进一步地，所述耦合电弧热源的电缆绝缘材料燃烧仿真模型按如下方法进行仿真模拟：
[0029]
基于计算流体力学理论，采用有限反应速率燃烧模型建立电缆绝缘材料燃烧过程的模型；
[0030]
按照电缆的实际结构建立电缆的几何模型；按照实验测试得到的绝缘材料随温度变化的热导率、热释放速率以及质量损失速率参数设置电缆绝缘层的材料参数；以电缆动
态电弧热源仿真模型作为电缆绝缘材料燃烧过程模型的点火源，基于传热学理论计算每一个时刻电力电缆各位置的温度分布情况，若某个位置温度高于电缆绝缘材料的燃点，则启动有限反应速率燃烧模型；
[0031]
按照电缆绝缘层材料的组分，计算各项成分及质量分数，划分出可燃物质，其余物质均视为非可燃物质；
[0032]
根据燃烧反应化学方程式，确定燃烧反应生成物，根据能量平衡方程计算电缆材料燃烧生成物的标准状态摩尔生成焓，求解得到电缆绝缘层在燃烧过程中火焰温度、热释放速率随时间变化的数据；
[0033]
求解动量平衡方程，计算得到电缆燃烧过程中烟气的流动。
[0034]
进一步地，所述耦合电弧热源和火焰热源的电缆绝缘材料热分解过程模型按如下方法进行仿真模拟：
[0035]
主要材料为pvc聚合物的电缆绝缘表皮的热解过程为三个阶段，第一阶段为温度464k-642k之间，电缆绝缘表皮材料受热分解，pvc主链上的cl在高温下脱除并与h结合，释放hcl气体，形成多烯烃链、环烷烃和芳香族化合物；第二阶段为温度691k-808k，继续析出hcl气体；第三阶段为830k-931k，电缆绝缘表皮进一步热分解为碳酸钙、炭黑残留物；将pvc材料分为cl离子部分和其它化合物链两个部分；将cl离子按上述热解的三个温度阶段进一步分为不稳定cl离子材料、较稳定cl离子材料和稳定cl离子材料三部分；不稳定cl离子在464k-642k温度阶段会析出hcl气体；较稳定cl离子在691k-808k温度阶段会析出hcl气体；稳定cl离子在830k-931k温度阶段析出hcl气体；将不稳定cl离子、较稳定cl离子、稳定cl离子和其它化合物链按照百分比均匀分配到电缆绝缘材料的网格上；
[0036]
在步骤(1)和步骤(3)的基础上，建立电缆绝缘材料热分解过程模型；通过步骤(1)计算得到电弧的温度和步骤(3)计算得到火焰的温度，作为电缆绝缘材料热分解过程模型的热源，计算电弧作用下电缆绝缘表皮内部的热传导和温度分布；当绝缘表皮内部温度处于第一阶段464k-642k之间时，认为此时不稳定cl离子脱除并释放hcl气体，将分配有不稳定cl离子材料的网格材料替换为空气；当绝缘表皮内部温度处于第二阶段691k-808k之间时，将分配有较稳定cl离子材料的网格材料替换为空气；当绝缘表皮内部温度处于第三阶段830k-931k之间时，将分配有稳定cl离子材料的网格材料替换为空气；最后得到绝缘介质材料的分解过程和炭化物质的积聚情况。
[0037]
进一步地，所述气流作用下电缆热分解产物分布模型按如下方法进行仿真模拟：
[0038]
采用realizable k-ε湍流模型，按电缆的实际几何结构建立模型；将步骤(1)中的电弧和步骤(3)中的火焰作为热源，求解电缆空隙中气体的能量平衡方程、动量平衡方程和质量平衡方程，计算得到电缆空隙中的气体压强、气流流速参数；
[0039]
将计算得到的气体压强作为驱动力，计算作用在每个热解产物单元上的力；基于动力学理论，获得气流作用下热分解产物的加速度、速度及位移运动参数，从而得到热分解产物在气流作用下的分布情况。
[0040]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，该仿真方法能够模拟电缆的电弧和火焰的发展情况和电缆材料的分解情况，作为电缆因电弧而产生的火势是否会蔓延的判断依据，为电缆绝缘材料的选取、电缆的布置、电缆火灾的处理等问题提供参考依据。
附图说明
[0041]
图1是本发明实施例的电缆样品几何结构示意图。
[0042]
图2是本发明实施例中电缆电弧磁流体动力学仿真示意图。
[0043]
图3是本发明实施例中电缆电弧仿真示意图。
[0044]
图4是本发明实施例中电缆绝缘材料炭化生成物的物性参数测试的试验样本示意图。
[0045]
图5是本发明实施例中电缆炭化过程的材料变化示意图。
[0046]
图6是本发明实施例中电缆绝缘材料热分解生成物仿真示意图。
[0047]
图7是本发明实施例的方法实现流程图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0049]
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。
[0050]
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。
[0051]
本实施例中电缆样品几何结构如图1所示。如图7所示，本实施例提供了一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，包括以下步骤：
[0052]
(1)构建电缆动态电弧热源仿真模型，基于磁流体动力学理论模拟电弧的发展过程，计算电弧的电、热、气流等参数的动态特性。
[0053]
(2)构建电缆绝缘材料炭化生成物的物性参数测试实验平台，基于压片法测定电缆绝缘材料热分解生成物的电导率、热导率、热释放速率和质量损失速度等参数。
[0054]
(3)构建耦合电弧热源的电缆绝缘材料燃烧仿真模型，以电弧温度作为电缆绝缘表皮燃烧的点火源，采用有限反应速率燃烧模型仿真电缆绝缘表皮的燃烧过程，计算燃烧过程中火焰的温度、热释放速率随时间变化的数据及烟气的生成和流动。
[0055]
(4)构建耦合电弧热源和火焰热源的电缆绝缘材料热分解过程模型，耦合电弧热源和火焰热源产生的温度，通过流固耦合、热传导和电缆绝缘表皮聚合物材料的分阶段物质变化，模拟电缆绝缘表皮在电弧高温作用下的分解和炭化物质积聚过程。
[0056]
(5)构建气流作用下电缆热分解产物分布模型，模拟电缆热分解生成物在电弧和火焰导致的气流下的运动和分布情况。
[0057]
(1)构建电缆动态电弧热源仿真模型
[0058]
基于磁流体动力学理论构建电缆电弧的仿真模型。本实施例中电缆电弧磁流体动力学仿真如图2所示。本实施例中电缆电弧仿真(截取电弧发生位置的一段)如图3所示。
[0059]
在仿真初始时刻，首先初始化电弧弧柱区域温度为3000k，按照电弧温度计算电弧各单元的电导率σ，然后计算回路中的电流i的大小。建立电缆电磁场模型，设置激励源为电流激励源，大小为i，求解0时刻电弧的电流密度j。建立电缆的流体场模型，用于考虑空气、
电缆导体和电缆绝缘表皮的流固耦合；将电流密度j和电导率σ加载到电缆的流体场模型，计算焦耳热w，求解动量守恒方程、能量守恒方程，得到δt时刻的电弧温度t。
[0060]
重新建立电缆电磁场模型，将δt时刻的电弧温度t导入电缆电磁场模型，计算δt时刻电弧的电流密度j。更新电缆的流体场模型的焦耳热w，求解动量守恒方程、能量守恒方程，得到2δt时刻的电弧温度。
[0061]
按照上述逻辑过程计算直到求解结束；步骤(1)求解过程中每一个时刻的电缆电弧温度t都作为步骤(3)和步骤(4)中的热源，按时间步耦合到步骤(3)和步骤(4)的模型当中。
[0062]
(2)构建电缆绝缘材料炭化生成物的物性参数测试实验平台
[0063]
采用基于压片法制样的参数测定电缆绝缘材料热分解生成物的电导率、热导率、热释放速率和质量损失速度等参数。
[0064]
获取电缆热解产物的黑色混合物粉末，与pvp粘结剂粉体混合研磨，质量比为1:2至1：3，置于压片机内，压制成具有一定厚度的圆片状薄片。
[0065]
将制备好的圆片状样品置于平顶状电极之间，电极内附带收集电流电压温度数据的热电偶，通入电流。实验前对样品进行预处理，维持150℃温度10分钟，低于pvc热解温度，以去除样品中可能存在的水分和挥发性气体。然后进行热循环五次，循环过程中电流呈等值增大，每组电流保持5分钟，由热电偶记录样品对应电流的电压和温度。
[0066]
按照下式计算样品电导率：
[0067][0068]
式中，σ为电导率，i为电流，h为样品高度，u为样品两端的电压，d为样品直径。
[0069]
对于电缆热解产物的热导率，采用导热仪直接测量。制样规格为直径20mm，厚度2.8mm的标准试样。
[0070]
对于电缆绝缘材料的热释放速率和质量损失率，采用热重分析仪及锥形量热仪进行测量，执行标准为iso 5660以及astm e 1354。实验样品为长度10cm的电缆样品段，选取六根电缆水平整齐排列，底部填充数层陶瓷纤维板以实现隔热保温，周围使用锡箔纸包覆形成单面受热的试样，总体试样规格为10cm
×
10cm
×
9-10cm。从而得出电缆材料的热释放速率、质量损失速率参数。
[0071]
本实施例中电缆绝缘材料炭化生成物的物性参数测试的试验样本如图4所示。
[0072]
(3)构建耦合电弧热源的电缆绝缘材料燃烧仿真模型
[0073]
基于计算流体力学理论，采用有限反应速率燃烧模型建立电缆绝缘材料燃烧过程的模型。
[0074]
按照电缆的实际结构建立电缆的几何模型。按照实验测试得到的绝缘材料随温度变化的热导率、热释放速率以及质量损失速率等参数设置电缆绝缘层的材料参数。以电缆动态电弧热源仿真模型作为电缆绝缘材料燃烧过程模型的点火源，基于传热学理论计算每一个时刻电力电缆各位置的温度分布情况，若某个位置温度高于电缆绝缘材料的燃点，则启动有限反应速率燃烧模型。
[0075]
按照电缆绝缘层材料的组分，计算各项成分及质量分数，划分出可燃物质，其余物质均视为非可燃物质。
[0076]
根据燃烧反应化学方程式，确定燃烧反应生成物，根据能量平衡方程计算电缆材料燃烧生成物的标准状态摩尔生成焓，求解得到电缆绝缘层在燃烧过程中火焰温度、热释放速率随时间变化的数据。求解动量平衡方程，计算得到电缆燃烧过程中烟气的流动。
[0077]
(4)构建耦合电弧热源和火焰热源的电缆绝缘材料热分解过程模型
[0078]
电缆绝缘表皮(主要材料为pvc聚合物)的热解过程为三个阶段，第一阶段为温度464k-642k之间，电缆绝缘表皮材料受热分解，pvc主链上的cl在高温下脱除并与h结合，释放hcl等气体，形成多烯烃链、环烷烃和芳香族化合物等；第二阶段为温度691k-808k，继续析出hcl气体；第三阶段为830k-931k，电缆绝缘表皮进一步热分解为碳酸钙、炭黑等残留物。
[0079]
考虑到pvc材料热解的机理，将pvc材料分为cl离子部分和其它化合物链两个部分。将cl离子按上述热解的三个温度阶段进一步分为不稳定cl离子材料、较稳定cl离子材料和稳定cl离子材料三部分；不稳定cl离子在464k-642k温度阶段会析出hcl气体；较稳定cl离子在691k-808k温度阶段会析出hcl气体；稳定cl离子在830k-931k温度阶段析出hcl气体；将不稳定cl离子、较稳定cl离子、稳定cl离子和其它化合物链按照百分比均匀分配到电缆绝缘材料的网格上。
[0080]
在步骤(1)和步骤(3)的基础上，建立电缆绝缘材料热分解过程模型；通过步骤(1)计算得到电弧的温度和步骤(3)计算得到火焰的温度，作为电缆绝缘材料热分解过程模型的热源，计算电弧作用下电缆绝缘表皮内部的热传导和温度分布；当绝缘表皮内部温度处于第一阶段464k-642k之间时，认为此时不稳定cl离子脱除并释放hcl等气体，将分配有不稳定cl离子材料的网格材料替换为空气；当绝缘表皮内部温度处于第二阶段691k-808k之间时，将分配有较稳定cl离子材料的网格材料替换为空气；当绝缘表皮内部温度处于第三阶段830k-931k之间时，将分配有稳定cl离子材料的网格材料替换为空气；最后得到绝缘介质材料的分解过程和炭化物质的积聚情况。本实施例中电缆炭化过程的材料变化如图5所示。本实施例中电缆绝缘材料热分解生成物仿真如图6所示。
[0081]
(5)构建气流作用下电缆热分解产物分布模型
[0082]
电缆绝缘材料热分解产物为疏松多孔物质。电弧和火焰的高温会在电缆的空隙中产生很大的压强，加剧空隙中气体的流动。强气流会吹动电缆绝缘材料热分解产物的，改变其分布。
[0083]
采用realizable k-ε湍流模型，按电缆的实际几何结构建立模型；将步骤(1)中的电弧和步骤(3)中的火焰作为热源，求解电缆空隙中气体的能量平衡方程、动量平衡方程和质量平衡方程，计算得到电缆空隙中的气体压强、气流流速参数。
[0084]
将计算得到的气体压强作为驱动力，计算作用在每个热解产物单元上的力；基于动力学理论，获得气流作用下热分解产物的加速度、速度及位移等运动参数，从而得到热分解产物在气流作用下的分布情况。
[0085]
本发明方法提出了一种耦合电弧热源和火焰热源的电缆绝缘材料燃烧过程混合模型，采用有限反应速率燃烧模型建立电缆绝缘材料燃烧过程模型，将电弧温度作为点火源耦合到电缆绝缘材料燃烧过程模型中，按照燃烧反应化学方程式，计算电缆绝缘层燃烧过程中温度、热释放速率随时间变化的数据以及烟气的生成和流动，为电缆绝缘介质热分解仿真提供热源的计算。
[0086]
本发明方法构建了电缆绝缘材料热分解过程模型，通过对电缆绝缘表皮网格按成分百分比分配材料，将复杂的电缆绝缘表皮聚合物材料和化学反应过程相结合；耦合电弧热源和火焰热源，模拟不同热解阶段电缆绝缘表皮材料的动态变化情况和炭化物质的积聚情况。通过电缆热分解产物的类型和积聚情况能够反映电缆着火的剧烈程度。
[0087]
本发明方法提出了一种气流场下电缆热分解产物分布模型，采用realizable k-ε湍流模型，耦合电弧热源和火焰热源，计算了电缆空隙中的气体压强、气流流速等参数；并基于动力学理论求解气流驱动下电缆绝缘材料热分解产物的运动参数和分布情况；根据电缆热分解产物的分布情况，判断电弧是否持续，从而判断因电弧而产生的火势是否会蔓延，为电缆绝缘材料的选取、电缆的布置、电缆火灾的处理等问题提供参考依据，为电缆类电气火灾奠定理论基础。
[0088]
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。
技术特征：1.一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建电缆动态电弧热源仿真模型，基于磁流体动力学理论模拟电弧的发展过程，计算电弧的电、热、气流参数的动态特性；(2)构建电缆绝缘材料炭化生成物的物性参数测试实验平台，基于压片法测定电缆绝缘材料热分解生成物的电导率、热导率、热释放速率和质量损失速度参数；(3)构建耦合电弧热源的电缆绝缘材料燃烧仿真模型，以电弧温度作为电缆绝缘表皮燃烧的点火源，采用有限反应速率燃烧模型仿真电缆绝缘表皮的燃烧过程，计算燃烧过程中火焰的温度、热释放速率随时间变化的数据及烟气的生成和流动；(4)构建耦合电弧热源和火焰热源的电缆绝缘材料热分解过程模型，耦合电弧热源和火焰热源产生的温度，通过流固耦合、热传导和电缆绝缘表皮聚合物材料的分阶段物质变化，模拟电缆绝缘表皮在电弧高温作用下的分解和炭化物质积聚过程；(5)构建气流作用下电缆热分解产物分布模型，模拟电缆热分解生成物在电弧和火焰导致的气流下的运动和分布情况。2.根据权利要求1所述的一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，其特征在于，所述电缆动态电弧热源仿真模型按如下方法进行仿真模拟：在仿真初始时刻，首先初始化电弧弧柱区域温度，按照电弧温度计算电弧各单元的电导率σ，然后计算回路中的电流i的大小；建立电缆电磁场模型，设置激励源为电流激励源，大小为i，求解0时刻电弧的电流密度j；建立电缆的流体场模型，用于考虑空气、电缆导体和电缆绝缘表皮的流固耦合；将电流密度j和电导率σ加载到电缆的流体场模型，计算焦耳热w，求解动量守恒方程、能量守恒方程，得到δt时刻的电弧温度t；重新建立电缆电磁场模型，将δt时刻的电弧温度t导入电缆电磁场模型，计算δt时刻电弧的电流密度j；更新电缆的流体场模型的焦耳热w，求解动量守恒方程、能量守恒方程，得到2δt时刻的电弧温度；按照上述逻辑过程计算直到求解结束；步骤(1)求解过程中每一个时刻的电缆电弧温度t都作为步骤(3)和步骤(4)中的热源，按时间步耦合到步骤(3)和步骤(4)的模型当中。3.根据权利要求1所述的一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，其特征在于，所述电缆绝缘材料炭化生成物的物性参数测试实验平台按如下方法进行测定工作：获取电缆热解产物的黑色混合物粉末，与pvp粘结剂粉体混合研磨，质量比为1:2至1：3，置于压片机内，压制成具有一定厚度的圆片状薄片；将制备好的圆片状样品置于平顶状电极之间，电极内附带收集电流电压温度数据的热电偶，通入电流；实验前对样品进行预处理，维持设定温度一定时间，低于pvc热解温度，以去除样品中可能存在的水分和挥发性气体；然后进行多次热循环，循环过程中电流呈等值增大，每组电流保持设定时间，由热电偶
记录样品对应电流的电压和温度；按照下式计算样品电导率：式中，σ为电导率，i为电流，h为样品高度，u为样品两端的电压，d为样品直径；对于电缆热解产物的热导率，采用导热仪直接测量；对于电缆绝缘材料的热释放速率和质量损失率，采用热重分析仪及锥形量热仪进行测量。4.根据权利要求1所述的一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，其特征在于，所述耦合电弧热源的电缆绝缘材料燃烧仿真模型按如下方法进行仿真模拟：基于计算流体力学理论，采用有限反应速率燃烧模型建立电缆绝缘材料燃烧过程的模型；按照电缆的实际结构建立电缆的几何模型；按照步骤(2)中实验测试得到的绝缘材料随温度变化的热导率、热释放速率以及质量损失速率参数设置电缆绝缘层的材料参数；以步骤(1)的电缆动态电弧热源仿真模型作为电缆绝缘材料燃烧过程模型的点火源，基于传热学理论计算每一个时刻电力电缆各位置的温度分布情况，若某个位置温度高于电缆绝缘材料的燃点，则启动有限反应速率燃烧模型；按照电缆绝缘层材料的组分，计算各项成分及质量分数，划分出可燃物质，其余物质均视为非可燃物质；根据燃烧反应化学方程式，确定燃烧反应生成物，根据能量平衡方程计算电缆材料燃烧生成物的标准状态摩尔生成焓，求解得到电缆绝缘层在燃烧过程中火焰温度、热释放速率随时间变化的数据；求解动量平衡方程，计算得到电缆燃烧过程中烟气的流动。5.根据权利要求1所述的一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，其特征在于，所述耦合电弧热源和火焰热源的电缆绝缘材料热分解过程模型按如下方法进行仿真模拟：主要材料为pvc聚合物的电缆绝缘表皮的热解过程为三个阶段，第一阶段为温度464k-642k之间，电缆绝缘表皮材料受热分解，pvc主链上的cl在高温下脱除并与h结合，释放hcl气体，形成多烯烃链、环烷烃和芳香族化合物；第二阶段为温度691k-808k，继续析出hcl气体；第三阶段为830k-931k，电缆绝缘表皮进一步热分解为碳酸钙、炭黑残留物；将pvc材料分为cl离子部分和其它化合物链两个部分；将cl离子按上述热解的三个温度阶段进一步分为不稳定cl离子材料、较稳定cl离子材料和稳定cl离子材料三部分；不稳定cl离子在464k-642k温度阶段会析出hcl气体；较稳定cl离子在691k-808k温度阶段会析出hcl气体；稳定cl离子在830k-931k温度阶段析出hcl气体；将不稳定cl离子、较稳定cl离子、稳定cl离子和其它化合物链按照百分比均匀分配到电缆绝缘材料的网格上；构建耦合电弧热源和火焰热源的电缆绝缘材料热分解过程模型在步骤(1)和步骤(3)的基础上，建立电缆绝缘材料热分解过程模型；通过步骤(1)计算得到电弧的温度和步骤(3)计算得到火焰的温度，作为电缆绝缘材料热分解过程模型的热源，计算电弧作用下电缆绝缘表皮内部的热传导和温度分布；当绝缘表皮内部温度处于第
一阶段464k-642k之间时，认为此时不稳定cl离子脱除并释放hcl气体，将分配有不稳定cl离子材料的网格材料替换为空气；当绝缘表皮内部温度处于第二阶段691k-808k之间时，将分配有较稳定cl离子材料的网格材料替换为空气；当绝缘表皮内部温度处于第三阶段830k-931k之间时，将分配有稳定cl离子材料的网格材料替换为空气；最后得到绝缘介质材料的分解过程和炭化物质的积聚情况。6.根据权利要求1所述的一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，其特征在于，所述气流作用下电缆热分解产物分布模型按如下方法进行仿真模拟：采用realizable k-ε湍流模型，按电缆的实际几何结构建立模型；将步骤(1)中的电弧和步骤(3)中的火焰作为热源，求解电缆空隙中气体的能量平衡方程、动量平衡方程和质量平衡方程，计算得到电缆空隙中的气体压强、气流流速参数；将计算得到的气体压强作为驱动力，计算作用在每个热解产物单元上的力；基于动力学理论，获得气流作用下热分解产物的加速度、速度及位移运动参数，从而得到热分解产物在气流作用下的分布情况。
技术总结本发明涉及一种耦合动态电弧热源的电缆绝缘材料分解过程仿真方法，包括：构建电缆动态电弧热源仿真模型，计算电弧的电气参数；构建电缆绝缘材料炭化生成物的物性参数测试实验平台，测定电缆绝缘材料热分解生成物的相关参数；构建耦合电弧热源的电缆绝缘材料燃烧仿真模型，计算燃烧过程中火焰的温度、热释放速率随时间变化的数据及烟气的生成和流动；构建耦合电弧热源和火焰热源的电缆绝缘材料热分解过程模型，模拟电缆绝缘表皮在电弧高温作用下的分解和炭化物质积聚过程；构建气流作用下电缆热分解产物分布模型，模拟电缆热分解生成物在电弧和火焰导致的气流下的运动和分布。该方法有利于模拟电缆的电弧和火焰的发展情况和电缆材料的分解情况。和电缆材料的分解情况。和电缆材料的分解情况。
技术研发人员：许志红 唐昭晖 叶骁勇
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2022.09.20
技术公布日：2022/12/6
