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直流系統(tǒng)中因?yàn)殡娎|接頭松脫、接觸不良、導(dǎo)線絕緣破裂等原因極易產(chǎn)生點(diǎn)接觸直流故障電弧，其伴隨著高熱現(xiàn)象的持續(xù)產(chǎn)生會(huì)不斷地對外界釋放能量，這會(huì)使電極材料和絕緣層材料進(jìn)行能量累積，當(dāng)能量累積到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致接觸材料表面受熱熔化，引發(fā)電極的燒蝕和絕緣層的熔滴，進(jìn)而產(chǎn)生電纜火焰的蔓延現(xiàn)象，嚴(yán)重危害直流供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行甚至引發(fā)電氣火災(zāi)事故。

通過導(dǎo)線熱能累積誘發(fā)火災(zāi)的可能性與電弧故障熱能的傳遞情況密切相關(guān)，因此，研究直流故障電弧的穩(wěn)態(tài)傳熱特性，可為探究耐電弧燒蝕材料及直流防火電纜的研制提供理論依據(jù)，對于保障直流供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行和提高電氣火災(zāi)事故的預(yù)防能力具有重要意義。

電弧的發(fā)生是一個(gè)極復(fù)雜的多物理場耦合現(xiàn)象，涉及電磁學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、等離子學(xué)等多門學(xué)科。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及有限元分析軟件的不斷完善，基于計(jì)算機(jī)的數(shù)值仿真模擬技術(shù)已成為研究和分析工程熱物理問題的高效手段，目前在接地電弧，交流電弧、直流電弧、電弧爐、故障電弧神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等領(lǐng)域都廣泛存在電弧仿真的應(yīng)用。

然而，由于電弧的放電行為呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)特性，其中交流放電時(shí)，電弧特征參量還會(huì)表現(xiàn)出周期性，因此相關(guān)研究更多集中在交流電弧瞬態(tài)模型分析上，關(guān)于直流故障電弧的研究極少，相關(guān)的研究也較少涉及電弧熱源在不同工況條件下最高溫度的變化規(guī)律和電弧熱源對于電極的傳熱規(guī)律。

針對直流故障電弧穩(wěn)態(tài)時(shí)的傳熱特性，目前鮮有深入研究，對于直流故障電弧下電極材料的溫度分布認(rèn)識(shí)甚少。華僑大學(xué)科研人員采用磁流體動(dòng)力學(xué)建立了直流故障電弧穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值模型，探討了不同電路電壓、電阻、電極間距下的電弧最高溫度變化規(guī)律及電弧熱源對于電極內(nèi)部溫度傳熱規(guī)律，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。可為直流電弧性電氣火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論依據(jù)，也為探索耐電弧阻燃電極材料的研制提供參考。

圖1 串聯(lián)型直流故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 直流故障電弧的仿真模型

科研人員通過研究得到的結(jié)論如下：

1）銅電極尖端四周的空氣具有比碳電極電弧側(cè)更多的高溫區(qū)域。但由于熱導(dǎo)率高，使得銅內(nèi)部在直流電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)保留的熱量低于碳電極，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)銅導(dǎo)體內(nèi)部溫度在與中點(diǎn)相同距離的位置低于碳電極。

2）直流故障電弧最高溫度會(huì)隨著電路電源電壓的增大在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性增長，但隨電壓增加溫升速率逐漸減小，隨電極間距的增大呈現(xiàn)為分?jǐn)?shù)指數(shù)形式的上升規(guī)律。同時(shí)，電阻等級(jí)增大會(huì)引起電路中電流的減小，進(jìn)一步造成電路輸入功率的減少，使得電弧最高溫度呈反比例下降，該趨勢會(huì)隨電壓增大而越發(fā)明顯。

3）雖然電弧發(fā)生區(qū)域擁有較高的溫度，但是電弧傳導(dǎo)到兩側(cè)電極處會(huì)發(fā)生溫度的驟降，銅電極的最高溫度只有電弧最高溫度的 17%~27%，碳電極最高溫度只有電弧最高溫度的41% ~51%，兩電極靠近電弧處的導(dǎo)體溫度下降速率會(huì)隨著電弧溫度的提高而提高，但隨著電極長度的延長，電極導(dǎo)體的內(nèi)部溫度和溫度下降速率會(huì)降低。此外，電極間距變化對于電極內(nèi)部溫度變化和溫度下降的速率影響不明顯。

4）直流故障電弧的最高溫度并不恒在電極間距中心。隨著電極間距的增大，故障電弧的最高溫度會(huì)隨著向銅電極方向偏離電極間距中點(diǎn)。電弧最高溫度之所以偏離電極間距中心，可能與銅電極和碳電極在靠近電弧側(cè)的形狀不一致有關(guān)，由于銅電極靠近電弧側(cè)是尖端而碳電極是平端，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)電弧高溫的區(qū)域會(huì)向相對于平端更無阻礙的尖端擴(kuò)散，并隨著電弧區(qū)域的增大越發(fā)明顯。

以上研究成果發(fā)表在2021年第13期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“直流故障電弧穩(wěn)態(tài)傳熱特性仿真研究”，作者為吳祺嶸、張認(rèn)成 等。