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龍圖騰網(wǎng)獲悉福州大學(xué)申請(qǐng)的專利一種耦合動(dòng)態(tài)電弧熱源的電纜絕緣材料分解過程仿真方法獲國家發(fā)明授權(quán)專利權(quán)，本發(fā)明授權(quán)專利權(quán)由國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予，授權(quán)公告號(hào)為：CN115440307B 。

龍圖騰網(wǎng)通過國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)在2025-09-05發(fā)布的發(fā)明授權(quán)授權(quán)公告中獲悉：該發(fā)明授權(quán)的專利申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)為：202211144803.5，技術(shù)領(lǐng)域涉及：G16C10/00；該發(fā)明授權(quán)一種耦合動(dòng)態(tài)電弧熱源的電纜絕緣材料分解過程仿真方法是由許志紅;唐昭暉;葉驍勇設(shè)計(jì)研發(fā)完成，并于2022-09-20向國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的專利申請(qǐng)。

本一種耦合動(dòng)態(tài)電弧熱源的電纜絕緣材料分解過程仿真方法在說明書摘要公布了：本發(fā)明涉及一種耦合動(dòng)態(tài)電弧熱源的電纜絕緣材料分解過程仿真方法，包括：構(gòu)建電纜動(dòng)態(tài)電弧熱源仿真模型，計(jì)算電弧的電氣參數(shù)；構(gòu)建電纜絕緣材料炭化生成物的物性參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)定電纜絕緣材料熱分解生成物的相關(guān)參數(shù)；構(gòu)建耦合電弧熱源的電纜絕緣材料燃燒仿真模型，計(jì)算燃燒過程中火焰的溫度、熱釋放速率隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)及煙氣的生成和流動(dòng)；構(gòu)建耦合電弧熱源和火焰熱源的電纜絕緣材料熱分解過程模型，模擬電纜絕緣表皮在電弧高溫作用下的分解和炭化物質(zhì)積聚過程；構(gòu)建氣流作用下電纜熱分解產(chǎn)物分布模型，模擬電纜熱分解生成物在電弧和火焰導(dǎo)致的氣流下的運(yùn)動(dòng)和分布。該方法有利于模擬電纜的電弧和火焰的發(fā)展情況和電纜材料的分解情況。

本發(fā)明授權(quán)一種耦合動(dòng)態(tài)電弧熱源的電纜絕緣材料分解過程仿真方法在權(quán)利要求書中公布了：1.一種耦合動(dòng)態(tài)電弧熱源的電纜絕緣材料分解過程仿真方法，其特征在于，包括以下步驟： 1構(gòu)建電纜動(dòng)態(tài)電弧熱源仿真模型，基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論模擬電弧的發(fā)展過程，計(jì)算電弧的電、熱、氣流參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性； 2構(gòu)建電纜絕緣材料炭化生成物的物性參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于壓片法測(cè)定電纜絕緣材料熱分解生成物的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱釋放速率和質(zhì)量損失速度參數(shù)； 3構(gòu)建耦合電弧熱源的電纜絕緣材料燃燒仿真模型，以電弧溫度作為電纜絕緣表皮燃燒的點(diǎn)火源，采用有限反應(yīng)速率燃燒模型仿真電纜絕緣表皮的燃燒過程，計(jì)算燃燒過程中火焰的溫度、熱釋放速率隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)及煙氣的生成和流動(dòng)； 4構(gòu)建耦合電弧熱源和火焰熱源的電纜絕緣材料熱分解過程模型，耦合電弧熱源和火焰熱源產(chǎn)生的溫度，通過流固耦合、熱傳導(dǎo)和電纜絕緣表皮聚合物材料的分階段物質(zhì)變化，模擬電纜絕緣表皮在電弧高溫作用下的分解和炭化物質(zhì)積聚過程； 5構(gòu)建氣流作用下電纜熱分解產(chǎn)物分布模型，模擬電纜熱分解生成物在電弧和火焰導(dǎo)致的氣流下的運(yùn)動(dòng)和分布情況； 所述電纜動(dòng)態(tài)電弧熱源仿真模型按如下方法進(jìn)行仿真模擬： 在仿真初始時(shí)刻，首先初始化電弧弧柱區(qū)域溫度，按照電弧溫度計(jì)算電弧各單元的電導(dǎo)率σ，然后計(jì)算回路中的電流I的大小； 建立電纜電磁場(chǎng)模型，設(shè)置激勵(lì)源為電流激勵(lì)源，大小為I，求解0時(shí)刻電弧的電流密度J； 建立電纜的流體場(chǎng)模型，用于考慮空氣、電纜導(dǎo)體和電纜絕緣表皮的流固耦合；將電流密度J和電導(dǎo)率σ加載到電纜的流體場(chǎng)模型，計(jì)算焦耳熱W，求解動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，得到Δt時(shí)刻的電弧溫度T； 重新建立電纜電磁場(chǎng)模型，將Δt時(shí)刻的電弧溫度T導(dǎo)入電纜電磁場(chǎng)模型，計(jì)算Δt時(shí)刻電弧的電流密度J； 更新電纜的流體場(chǎng)模型的焦耳熱W，求解動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，得到2Δt時(shí)刻的電弧溫度； 按照上述邏輯過程計(jì)算直到求解結(jié)束；步驟1求解過程中每一個(gè)時(shí)刻的電纜電弧溫度T都作為步驟3和步驟4中的熱源，按時(shí)間步耦合到步驟3和步驟4的模型當(dāng)中； 所述電纜絕緣材料炭化生成物的物性參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按如下方法進(jìn)行測(cè)定工作： 獲取電纜熱解產(chǎn)物的黑色混合物粉末，與PVP粘結(jié)劑粉體混合研磨，質(zhì)量比為1:2至1：3，置于壓片機(jī)內(nèi)，壓制成具有一定厚度的圓片狀薄片； 將制備好的圓片狀樣品置于平頂狀電極之間，電極內(nèi)附帶收集電流電壓溫度數(shù)據(jù)的熱電偶，通入電流； 實(shí)驗(yàn)前對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，維持設(shè)定溫度一定時(shí)間，低于PVC熱解溫度，以去除樣品中可能存在的水分和揮發(fā)性氣體； 然后進(jìn)行多次熱循環(huán)，循環(huán)過程中電流呈等值增大，每組電流保持設(shè)定時(shí)間，由熱電偶記錄樣品對(duì)應(yīng)電流的電壓和溫度； 按照下式計(jì)算樣品電導(dǎo)率： 式中，σ為電導(dǎo)率，I為電流，h為樣品高度，U為樣品兩端的電壓，d為樣品直徑； 對(duì)于電纜熱解產(chǎn)物的熱導(dǎo)率，采用導(dǎo)熱儀直接測(cè)量； 對(duì)于電纜絕緣材料的熱釋放速率和質(zhì)量損失率，采用熱重分析儀及錐形量熱儀進(jìn)行測(cè)量； 所述耦合電弧熱源的電纜絕緣材料燃燒仿真模型按如下方法進(jìn)行仿真模擬： 基于計(jì)算流體力學(xué)理論，采用有限反應(yīng)速率燃燒模型建立電纜絕緣材料燃燒過程的模型； 按照電纜的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立電纜的幾何模型；按照步驟2中實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的絕緣材料隨溫度變化的熱導(dǎo)率、熱釋放速率以及質(zhì)量損失速率參數(shù)設(shè)置電纜絕緣層的材料參數(shù)；以步驟1的電纜動(dòng)態(tài)電弧熱源仿真模型作為電纜絕緣材料燃燒過程模型的點(diǎn)火源，基于傳熱學(xué)理論計(jì)算每一個(gè)時(shí)刻電力電纜各位置的溫度分布情況，若某個(gè)位置溫度高于電纜絕緣材料的燃點(diǎn)，則啟動(dòng)有限反應(yīng)速率燃燒模型； 按照電纜絕緣層材料的組分，計(jì)算各項(xiàng)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)，劃分出可燃物質(zhì)，其余物質(zhì)均視為非可燃物質(zhì)； 根據(jù)燃燒反應(yīng)化學(xué)方程式，確定燃燒反應(yīng)生成物，根據(jù)能量平衡方程計(jì)算電纜材料燃燒生成物的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)摩爾生成焓，求解得到電纜絕緣層在燃燒過程中火焰溫度、熱釋放速率隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)； 求解動(dòng)量平衡方程，計(jì)算得到電纜燃燒過程中煙氣的流動(dòng)； 所述耦合電弧熱源和火焰熱源的電纜絕緣材料熱分解過程模型按如下方法進(jìn)行仿真模擬： 主要材料為PVC聚合物的電纜絕緣表皮的熱解過程為三個(gè)階段，第一階段為溫度464K-642K之間，電纜絕緣表皮材料受熱分解，PVC主鏈上的Cl在高溫下脫除并與H結(jié)合，釋放HCl氣體，形成多烯烴鏈、環(huán)烷烴和芳香族化合物；第二階段為溫度691K-808K，繼續(xù)析出HCl氣體；第三階段為830K-931K，電纜絕緣表皮進(jìn)一步熱分解為碳酸鈣、炭黑殘留物；將PVC材料分為Cl離子部分和其它化合物鏈兩個(gè)部分；將Cl離子按上述熱解的三個(gè)溫度階段進(jìn)一步分為不穩(wěn)定Cl離子材料、較穩(wěn)定Cl離子材料和穩(wěn)定Cl離子材料三部分；不穩(wěn)定Cl離子在464K-642K溫度階段會(huì)析出HCl氣體；較穩(wěn)定Cl離子在691K-808K溫度階段會(huì)析出HCl氣體；穩(wěn)定Cl離子在830K-931K溫度階段析出HCl氣體；將不穩(wěn)定Cl離子、較穩(wěn)定Cl離子、穩(wěn)定Cl離子和其它化合物鏈按照百分比均勻分配到電纜絕緣材料的網(wǎng)格上； 在步驟1和步驟3的基礎(chǔ)上，建立電纜絕緣材料熱分解過程模型；通過步驟1計(jì)算得到電弧的溫度和步驟3計(jì)算得到火焰的溫度，作為電纜絕緣材料熱分解過程模型的熱源，計(jì)算電弧作用下電纜絕緣表皮內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和溫度分布；當(dāng)絕緣表皮內(nèi)部溫度處于第一階段464K-642K之間時(shí)，認(rèn)為此時(shí)不穩(wěn)定Cl離子脫除并釋放HCl氣體，將分配有不穩(wěn)定Cl離子材料的網(wǎng)格材料替換為空氣；當(dāng)絕緣表皮內(nèi)部溫度處于第二階段691K-808K之間時(shí)，將分配有較穩(wěn)定Cl離子材料的網(wǎng)格材料替換為空氣；當(dāng)絕緣表皮內(nèi)部溫度處于第三階段830K-931K之間時(shí)，將分配有穩(wěn)定Cl離子材料的網(wǎng)格材料替換為空氣；最后得到絕緣介質(zhì)材料的分解過程和炭化物質(zhì)的積聚情況； 所述氣流作用下電纜熱分解產(chǎn)物分布模型按如下方法進(jìn)行仿真模擬： 采用Realizablek-ε湍流模型，按電纜的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)建立模型；將步驟1中的電弧和步驟3中的火焰作為熱源，求解電纜空隙中氣體的能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程和質(zhì)量平衡方程，計(jì)算得到電纜空隙中的氣體壓強(qiáng)、氣流流速參數(shù)； 將計(jì)算得到的氣體壓強(qiáng)作為驅(qū)動(dòng)力，計(jì)算作用在每個(gè)熱解產(chǎn)物單元上的力；基于動(dòng)力學(xué)理論，獲得氣流作用下熱分解產(chǎn)物的加速度、速度及位移運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而得到熱分解產(chǎn)物在氣流作用下的分布情況。

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