電氣故障引發(fā)的森林火災(zāi)研究現(xiàn)狀及展望

胡海清，李東暉，郭 妍

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

火作為森林生態(tài)系統(tǒng)中一種獨(dú)特且重要的生態(tài)因子，對(duì)土壤[1-2]、氣候、碳循環(huán)[3]、景觀和生物活動(dòng)[4]起到至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。受人類活動(dòng)所引起的氣候變化影響，森林火災(zāi)已經(jīng)成為造成森林覆蓋率下降和空氣污染的主要因素[5-6]，使人們的健康受到威脅。近年來，“森林-城鎮(zhèn)”交界域(WUI)火災(zāi)所造成的危害愈演愈烈[7]。其中，森林中各類電力設(shè)施與周邊環(huán)境構(gòu)成一類新的“森林-城鎮(zhèn)”交界域，且由風(fēng)引起的導(dǎo)線碰撞已成為一種新的森林火源[8]。在以往的事故中，火災(zāi)自森林中產(chǎn)生后向城市擴(kuò)展，人們僅將風(fēng)作為一種影響因素考慮。而在電力設(shè)施引發(fā)的森林火災(zāi)中，輸電線在風(fēng)力的作用下碰撞燃弧，并形成熱金屬顆粒。這些顆粒在重力的作用下墜落到地面后，其剩余熱量將地表的森林可燃物引燃。熱金屬顆粒的傳播形式與飛火的飛遷方式較為接近[9]，但熱金屬顆粒的能量來源于短路電弧，而非已燃著的森林可燃物，且傳播距離也較短。而飛火的引燃過程需要先期發(fā)生的火災(zāi)，由正在燃燒的可燃物受高能量火和風(fēng)的作用破碎產(chǎn)生飛火源，其飛遷距離可達(dá)幾千米。因此，由電氣短路故障所引起的森林火災(zāi)應(yīng)作為一種全新的火源形式去研究。雖然此類火災(zāi)的偶發(fā)性較高，但隱蔽性、突發(fā)性和單次的過火面積均大于其他火源[10]。在2007年，美國(guó)南加州爆發(fā)的兩場(chǎng)大火焚毀近800平方千米的林地和1 100多幢房屋[11]。2015年，美國(guó)比優(yōu)特大火使當(dāng)?shù)卦S多民眾流離失所[12]。2018年，森林火災(zāi)“坎普”焚毀林地超過620平方千米并致使85人遇難[13]。隨著我國(guó)電力建設(shè)的不斷發(fā)展，此類事故也開始發(fā)生。2019年，山西沁源因電氣短路故障引發(fā)森林火災(zāi)，共涉及6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、40個(gè)自然村和16家企業(yè)，迫使許多群眾轉(zhuǎn)移[14-15]。

對(duì)于“森林-城鎮(zhèn)”交界域內(nèi)的火災(zāi)，一些學(xué)者采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)易發(fā)區(qū)域和災(zāi)后影響進(jìn)行預(yù)測(cè)。Anna Badia等[16]根據(jù)加泰羅尼亞地區(qū)過去15年的景觀變化和火災(zāi)情況，將該地區(qū)的“森林-城鎮(zhèn)”交界域類型分為城市系統(tǒng)、混農(nóng)林系統(tǒng)和山區(qū)農(nóng)林系統(tǒng)，并基于Kappa指數(shù)使用以往的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)災(zāi)害過后的森林景觀變化程度及范圍進(jìn)行分析，對(duì)火災(zāi)造成的損失進(jìn)行預(yù)估。Fernández-lvarez等[17]通過無人機(jī)對(duì)“森林-城鎮(zhèn)”交界域進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)樹木及草灌進(jìn)行分析，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)工具和決策樹對(duì)易發(fā)生森林火災(zāi)的區(qū)域進(jìn)行預(yù)判。王乾坤等[18]基于大興安嶺地區(qū)2000-2013年8d合成的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，提出一種檢測(cè)森林火燒跡地的方法，可應(yīng)用于森林火災(zāi)的影響評(píng)估。侯曉靜等[19]采用隨機(jī)森林模型的方法，對(duì)安徽省2002—2011年間的“森林-城鎮(zhèn)”交界域火災(zāi)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)事故常發(fā)生在道路和鐵路線較多的區(qū)域，與人為活動(dòng)密切相關(guān)。鄭忠等[20]以重慶市作為研究區(qū)域，建立森林火險(xiǎn)綜合預(yù)報(bào)模型，研究氣候條件、地表覆蓋物與人類活動(dòng)等因素對(duì)火災(zāi)發(fā)生的影響。以上研究雖然可以對(duì)火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域及災(zāi)后影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，但未涉及具體的引燃過程研究，提出以控制火源為目標(biāo)的營(yíng)林手段。因此，需要對(duì)電氣短路故障的引燃過程進(jìn)行機(jī)理研究，才可以從源頭上遏制住此類森林火災(zāi)的發(fā)生[21]。因電氣短路故障造成森林火災(zāi)為連續(xù)發(fā)生的過程，可以基于連續(xù)性理論和守恒理論，對(duì)其中質(zhì)量和熱量的傳遞過程進(jìn)行分析，再根據(jù)能量傳遞路徑建立相應(yīng)的計(jì)算模型，以判斷短路事故能否引發(fā)森林火災(zāi)。本文將從該角度對(duì)目前國(guó)內(nèi)外林火領(lǐng)域的電氣短路故障引燃研究進(jìn)行探討，并對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方法和理論研究進(jìn)行介紹，然后總結(jié)目前研究中的不足，最后對(duì)未來的研究方向進(jìn)行展望。

1 電氣短路故障森林火災(zāi)的引發(fā)機(jī)制

由電氣短路故障造成的森林火災(zāi)中，火源物為導(dǎo)線金屬熔化所產(chǎn)生的熱金屬顆粒[22]。首先，輸電導(dǎo)線在風(fēng)力的作用下發(fā)生碰撞引發(fā)相間短路。其次，導(dǎo)線金屬在短路電弧的高溫下熔化，在此過程中雖然有少部分的金屬被汽化，但大多數(shù)仍以金屬液滴存在[23]。金屬液滴在空氣中發(fā)生冷卻并形成熱金屬顆粒。隨后，熱金屬顆粒在火羽流、重力及風(fēng)力的影響下向地面墜落。若熱金屬顆粒的初始溫度較高，還會(huì)在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生燃燒，進(jìn)一步增加熱量。若熱金屬顆粒墜落到地面時(shí)的剩余熱量較多，將直接使地表的可燃物發(fā)生有焰燃燒。若熱金屬顆粒的剩余熱量未使可燃物揮發(fā)出足夠的可燃性氣體，則發(fā)生無焰燃燒或未引燃。綜合分析整個(gè)引燃過程，可拆為三部分進(jìn)行討論，即熱金屬顆粒的形成、熱金屬顆粒的墜落和可燃物的引燃。下面將對(duì)這三部分的研究進(jìn)展進(jìn)行分別討論。

2 熱金屬顆粒的形成階段

2.1 研究進(jìn)展

導(dǎo)線在碰撞后發(fā)生相間短路，使導(dǎo)線金屬在短路電弧的加熱下發(fā)生熔化，形成熱金屬顆粒。為研究此過程，E Sutlovic等[24-25]通過絕緣棒使戶外純鋁輸電線碰撞，進(jìn)行室外模擬實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)短路過程(電壓：AC 400V；短路電流：650A/900A/1700A)，該實(shí)驗(yàn)如圖1所示。對(duì)實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的熱金屬顆粒數(shù)量與直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)顆粒的數(shù)量及顆粒體積與短路電弧的能量成正相關(guān)，即短路持續(xù)時(shí)間較短將更不易引起火災(zāi)。因熱金屬顆粒在形成時(shí)的初始速度與運(yùn)動(dòng)方向較為隨機(jī)，不易在野外實(shí)驗(yàn)中收集到全部的顆粒，無法建立短路電流與熱金屬顆粒體積間的實(shí)際關(guān)系。李陽(yáng)[26]通過圖2所示的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，控制熱金屬顆粒的濺落范圍，以收集全部的熱金屬顆粒。使放置于木質(zhì)可燃物上的銅包鋁導(dǎo)線發(fā)生短路，并通入50A～300A的電流，利用迸發(fā)出的熱金屬顆粒對(duì)木質(zhì)可燃物進(jìn)行引燃。相較于E Sutlovic等[24-25]的實(shí)驗(yàn)，該方法能夠收集到短路生成的全部熱金屬顆粒，但無法對(duì)熱金屬顆粒迸發(fā)時(shí)的溫度、體積和初速度進(jìn)行采集，仍不能定量的對(duì)熱金屬顆粒的形成過程進(jìn)行描述。

圖1 導(dǎo)線碰撞實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的熱金屬顆粒[24-25] 圖2 短路實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的熱金屬顆粒[26]Fig.1 Generated hot metal particles in the conductor clashing experiment Fig.2 Generated hot metal particles in the short-circuit experiment

由于電弧造成的導(dǎo)線熔化機(jī)制較為復(fù)雜，熔池溫度與液態(tài)金屬的體積受電弧的實(shí)際分布和離子輝光干擾，不能直接觀測(cè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)被引入到傳統(tǒng)的物理模型計(jì)算中。一些學(xué)者通過建立數(shù)值模擬模型，對(duì)熱金屬顆粒形成過程中的能量、動(dòng)量和質(zhì)量守恒等控制方程進(jìn)行求解，可以定量分析熔池過程中液態(tài)金屬的質(zhì)量與體積[27]。陳超等[28]將此技術(shù)引入到火災(zāi)的研究中，基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)建立熱塑性聚合物熔化過程的仿真模型，分析熔滴尺寸與滴落時(shí)間的變化。根據(jù)熱塑性聚合物的熔化溫度與固化溫度，把流場(chǎng)分為流體區(qū)、固體區(qū)和介于二者間的模糊區(qū)，再使用液相分?jǐn)?shù)β表征液相比例。該方法通過仿真技術(shù)復(fù)現(xiàn)火源物的形成過程，具備高效直觀的優(yōu)點(diǎn)。但研究對(duì)象為非金屬的熔化，且熱源來自環(huán)境溫度，不能直接引入到熱金屬顆粒造成的森林火災(zāi)研究中。電器開關(guān)產(chǎn)品的觸點(diǎn)間在分?jǐn)鄷r(shí)會(huì)發(fā)生瞬間燃弧現(xiàn)象，觸點(diǎn)金屬會(huì)在電弧的作用下熔化并噴濺，該現(xiàn)象與輸電線間的短路現(xiàn)象近似，可參考該類研究建立熱金屬顆粒形成過程的仿真計(jì)算模型。Mesyats G等[29]采用 Navier-Stokes(N-S) 方程描述熔化液滴的運(yùn)動(dòng)并考慮對(duì)流換熱，建立一個(gè)二維軸對(duì)稱的熔化金屬流體動(dòng)力學(xué)模型，可以描述液滴在多物理場(chǎng)影響下的噴濺過程。進(jìn)一步，Zhou X等[30]和 Cui X等[31]通過磁流體模型對(duì)熔池溫度及熔化金屬的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量計(jì)算，能夠計(jì)算受電弧對(duì)噴濺過程中液滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及溫度的影響。Kaufmann H T C等[32]提出一種考慮等離子云團(tuán)對(duì)電極表面作用的金屬液滴濺射模型，并在模型中考慮電弧力對(duì)金屬液滴的綜合作用。Kai Bo等[33]綜合前人的理論研究，考慮金屬熔化相變過程及 Marangoni效應(yīng)，通過多物理場(chǎng)軟件對(duì)直流電弧作用下的熔池與液滴濺射行為進(jìn)行仿真計(jì)算，得到金屬液滴在與基體分離時(shí)的溫度、速度、體積與射出角度。相較于模擬實(shí)驗(yàn)法，數(shù)值模擬法能夠?qū)峤饘兕w粒形成時(shí)的初速度、體積和初始溫度進(jìn)行計(jì)算，能夠直觀、量化的給出影響熱金屬顆粒形成的因素。

2.2 小結(jié)

目前，在熱金屬顆粒形成過程的研究中，已確定短路電弧的能量與熱金屬顆粒的數(shù)量與體積成正相關(guān)。在室外實(shí)驗(yàn)中不易對(duì)全部的顆粒進(jìn)行收集和統(tǒng)計(jì)，在建立電流與熱金屬顆粒狀態(tài)間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型時(shí)較為困難。采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)熱金屬顆粒的形成進(jìn)行研究，雖然可以收集和統(tǒng)計(jì)全部的顆粒，但受電弧弧光的干擾，不能對(duì)熱金屬顆粒的初始狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。已有學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對(duì)火災(zāi)中的熔化過程進(jìn)行分析，所獲結(jié)果可以復(fù)現(xiàn)顆粒的形成過程。開關(guān)電器領(lǐng)域通過磁流體模型對(duì)此類問題進(jìn)行研究，且研究對(duì)象與電弧引起的導(dǎo)線熔化較為相近，借鑒此類研究可對(duì)熱金屬顆粒的形成階段進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過對(duì)熱金屬顆粒的行程過程進(jìn)行研究，可以從源頭對(duì)引燃森林可燃物的能力進(jìn)行判定。

3 熱金屬顆粒的墜落階段

3.1 研究進(jìn)展

在熱金屬顆粒形成后，會(huì)在重力和風(fēng)力的作用下向地面運(yùn)動(dòng)。因該過程持續(xù)時(shí)間較短，不易在戶外實(shí)驗(yàn)中對(duì)熱金屬顆粒的墜落過程進(jìn)行觀測(cè)，G.K. Soulinaris等[34]在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中將直徑0.5 mm和1 mm的鋁金屬球加熱至630℃，再使其從5 m的高度墜落，最后通過熱電偶對(duì)落地后的顆粒溫度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)墜落后的兩種金屬球溫度會(huì)分別上升29℃和6℃，該結(jié)果證明熱金屬顆粒在墜落過程中伴隨著燃燒反應(yīng)。但該實(shí)驗(yàn)中的測(cè)溫方式不具備即時(shí)性，無法保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，僅能給出定性結(jié)論。為解決熱電偶等接觸式測(cè)溫傳感器無法實(shí)時(shí)地獲得墜落過程中的熱金屬顆粒溫度，Liu Y等[35]使用高速攝像技術(shù)采集墜落過程中熱金屬顆粒的發(fā)光運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)軌跡進(jìn)行比色測(cè)溫處理可獲得顆粒的速度和溫度變化情況?；诓噬獵CD(電荷耦合器件)的高溫場(chǎng)輻射測(cè)溫技術(shù)具有非接觸測(cè)溫、響應(yīng)快速、成本低、壽命長(zhǎng)、能夠連續(xù)在線測(cè)溫并獲得表面溫度場(chǎng)分布的優(yōu)點(diǎn)[36],已在一些金屬燃燒和等離子體燃燒領(lǐng)域取得極佳的成果[37-38]?？蓪⒃摲椒ㄒ胧覂?nèi)短路模擬實(shí)驗(yàn)中，對(duì)熱金屬顆粒墜落過程中的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，獲得該過程中熱量的變化。

一些學(xué)者根據(jù)介質(zhì)連續(xù)性理論，采用數(shù)值計(jì)算對(duì)熱金屬顆粒的冷卻過程進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)其著落后的溫度變化情況。Mills A F[22]及Stephen D Tse等[39]基于傳熱學(xué)理論對(duì)銅和鋁金屬顆粒在墜落過程中的溫度變化建立數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)熱金屬顆粒的墜落距離取決于墜落高度、風(fēng)速和顆粒自身的性能。此外，由于銅金屬顆粒在墜落的過程中很難發(fā)生燃燒，且其密度和比熱容均大于鋁，在落地時(shí)將會(huì)攜帶更多的熱量。而體積較小的鋁金屬顆粒在墜落的過程中大部分已燃燒殆盡，只有部分體積較大的鋁金屬顆?？梢越抵恋孛嬉l(fā)火災(zāi)。他們的研究從理論上證明即使熱金屬顆粒在墜落過程中存在冷卻，但仍具引發(fā)森林火災(zāi)的能力。Costa J Rallis等[40]根據(jù)導(dǎo)線形成的鋁金屬顆粒溫度低于其熔點(diǎn)，假設(shè)熱金屬顆粒的形狀為規(guī)則的球形，且墜落過程中不存在質(zhì)量損失。在考慮熱金屬顆粒的初始速度基礎(chǔ)上，建立熱金屬顆粒初始溫度、顆粒直徑、垂直速度、風(fēng)速與顆粒剩余溫度間的計(jì)算模型，并確定大風(fēng)環(huán)境下熱金屬顆粒墜落后的溫度仍大于森林可燃物的燃點(diǎn)。Psarros E G等[41]通過流體方程推導(dǎo)熱金屬顆粒在風(fēng)力和重力綜合作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合傳熱學(xué)理論對(duì)顆粒在墜落過程中的溫度變化進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)熱金屬顆粒的剩余溫度取決于顆粒直徑、墜落高度和風(fēng)速。M Majstrovic等[42]從能量傳遞的角度出發(fā)，以電弧作為能量來源，計(jì)算輸電線材質(zhì)、墜落高度、短路持續(xù)時(shí)間、風(fēng)速等影響因素對(duì)熱金屬顆粒墜落后剩余溫度的影響，并將該模型應(yīng)用于導(dǎo)線電弧故障對(duì)地表松針的引燃事故預(yù)測(cè)中?，F(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算研究中未考慮熱金屬顆粒在墜落過程中的燃燒反應(yīng)影響，也可借鑒金屬助燃領(lǐng)域的研究成果[43-44]對(duì)該部分進(jìn)行補(bǔ)充。

3.2 小結(jié)

熱金屬顆粒的墜落過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，不易直接對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中的體積和溫度變化進(jìn)行測(cè)量。目前，已確定導(dǎo)線材質(zhì)、顆粒初始速度、顆粒初始溫度、墜落高度和風(fēng)速是影響熱金屬顆粒墜落后剩余溫度的主要影響因素?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究?jī)H能對(duì)熱金屬顆粒運(yùn)動(dòng)前后溫度進(jìn)行測(cè)量，無法保證重復(fù)實(shí)驗(yàn)的一致性。一些學(xué)者正在嘗試使用圖像處理和高速攝像技術(shù)解決墜落過程研究中的測(cè)量問題。數(shù)值計(jì)算基于物理模型計(jì)算熱金屬顆粒在墜落過程中的熱量變化，但還需考慮熱金屬顆粒自身的燃燒反應(yīng)影響，可結(jié)合金屬助燃領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行補(bǔ)充。使用熱金屬顆粒墜落過程中熱量的變化計(jì)算模型，可以在導(dǎo)線發(fā)生短路故障時(shí)，對(duì)森林火災(zāi)高危區(qū)域進(jìn)行劃定。

4 熱金屬顆粒對(duì)森林可燃物的引燃階段

4.1 研究進(jìn)展

當(dāng)熱金屬顆粒墜落到地面時(shí)，將與地表的森林可燃物發(fā)生換熱。根據(jù)熱金屬顆粒此時(shí)的溫度，森林可燃物可能發(fā)生有焰燃燒、無焰燃燒或未被引燃[9]。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校(Berkeley)的Hadden等[45]將金屬球加熱后拋到人工布置的可燃物上，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)熱金屬顆粒的引燃過程進(jìn)行研究，從引燃概率的角度證明森林火災(zāi)的發(fā)生與熱金屬顆粒的尺寸和初始溫度直接相關(guān)。Casey D Zak通過改進(jìn)Hadden[45]的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將不同材質(zhì)、不同直徑的金屬球置于試樣勺中，再將其伸入至管式爐中進(jìn)行加熱。當(dāng)加熱到指定溫度后抽出試樣勺，并讓熱金屬球在重力的作用下墜落到人工布置的燃料床中，該套實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)論，該學(xué)者認(rèn)為墜落到地表可燃物上的熱金屬顆?？梢暈榍度肫矫娴那蝮w，其中一半的球體向空氣中釋放熱量，另一半的球體對(duì)地表可燃物進(jìn)行傳熱，該模型能夠解釋有焰燃燒、無焰燃燒和未引燃三種情況時(shí)熱金屬顆粒對(duì)地表可燃物的傳熱機(jī)制[46]。然后通過紋影成像技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中熱金屬顆粒附近氣體的、能量和流體狀態(tài)進(jìn)行采集。最后，通過比較不同材質(zhì)、不同直徑和不同初始溫度的熱金屬顆粒在各風(fēng)速下對(duì)森林可燃物的引燃能力，確定風(fēng)力對(duì)熱金屬顆粒的引燃過程十分重要。此外，在引燃形式相同時(shí)，體積較大的熱金屬顆粒所需要的初始溫度更低。進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)還對(duì)熱金屬顆粒與可燃物燃燒狀態(tài)間的關(guān)系進(jìn)行深入研究，確定可燃物的性質(zhì)(含水率及形狀)、顆粒的性質(zhì)(溫度、材質(zhì)及體積)和環(huán)境(濕度及溫度)是判斷引燃形式的重要參數(shù)[47-48]。在使用金屬球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)無法體現(xiàn)真實(shí)事故中熱金屬顆粒形貌的不確定性。且將被測(cè)樣品移出管式爐時(shí)，將造成部分熱量損失，使顆粒的墜落初始溫度低于在管式爐的設(shè)定溫度，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

圖3 熱金屬顆粒引燃實(shí)驗(yàn)裝置[46] 圖4 改進(jìn)后的熱金屬顆粒引燃實(shí)驗(yàn)裝置[50]Fig.3 Experimental apparatus for ignition of hot metal particles Fig.4 Improved experimental device for ignition of hot metal particles

隨著我國(guó)電力設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開始關(guān)注熱金屬顆粒對(duì)地表可燃物的引燃問題。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的王蘇盼對(duì)其之前的實(shí)驗(yàn)[49]裝置進(jìn)行改進(jìn)[50]，使熱金屬顆粒在加熱后自由墜落，減少熱量損失。并加入風(fēng)速變量并使用相機(jī)對(duì)可燃物的燃燒情況進(jìn)行記錄，以研究風(fēng)力作用下熱金屬顆粒對(duì)松針的引燃特性。相較于文獻(xiàn)[46]中的方案，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖4)將加熱管傾斜放置，使加熱后的熱金屬球在重力的作用下從爐內(nèi)滑出，避免轉(zhuǎn)運(yùn)過程造成的熱量損失。該實(shí)驗(yàn)證明熱金屬顆粒在直接引燃可燃物時(shí)，既是加熱源也充當(dāng)先導(dǎo)點(diǎn)燃源。而在由無焰燃燒向有焰燃燒的轉(zhuǎn)變過程中，熱金屬顆粒僅充當(dāng)加熱源。

李夢(mèng)媛等[51]將具有加熱功能的金屬球放置于可燃物內(nèi)部，研究熱金屬顆粒墜落到松散可燃物內(nèi)部時(shí)的引燃形式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱金屬顆粒會(huì)使其附近的可燃物熱解并形成疏松結(jié)構(gòu)的碳層，影響熱金屬顆粒與可燃物間的傳熱機(jī)制。彭志紅[52]在王蘇盼[50]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。將熱金屬顆粒和燃燒床間的高度作為可控參數(shù)，研究墜落高度對(duì)顆粒引燃能力的影響。該類室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)具有參考意義，但未考慮可燃物布置形式與熱金屬顆粒引燃形式間的關(guān)系。張運(yùn)林等[53]在無風(fēng)環(huán)境下向可燃物床層中拋擲火源物，通過672次實(shí)驗(yàn)對(duì)不同火源類型的引燃行為進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)在可燃物成分相同時(shí)，除火源類型外，可燃物的含水率和床層密實(shí)度也對(duì)引燃行為具有很大的影響。

在其他因素相同時(shí)，森林可燃物的熱解特性也將對(duì)燃燒行為造成影響。由于生物質(zhì)燃燒爐的燃料與森林可燃物的主要成分均為木質(zhì)纖維素，可以借鑒該領(lǐng)域?qū)扇嘉餆峤獾难芯砍晒?，建立森林可燃物燃燒過程的計(jì)算模型。Hong Lu等[54]對(duì)生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)部的燃燒過程進(jìn)行研究，建立的計(jì)算模型能夠模擬生物質(zhì)顆粒的干燥、碳化及氣相燃燒等過程，可以較好地描述單顆粒生物質(zhì)燃料的燃燒速率。Szymon Sobek等[55]和戴佳昆[56]基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立木質(zhì)纖維素?zé)峤鈩?dòng)力學(xué)模型，對(duì)可燃性氣體的產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算。除此之外，一些學(xué)者采用多物理場(chǎng)耦合仿真[57]，根據(jù)熱解燃燒方程通過有限元數(shù)值模擬對(duì)木質(zhì)可燃物的燃燒行為進(jìn)行計(jì)算，可直觀得到可燃性氣體在燃燒時(shí)組分、熱場(chǎng)與流場(chǎng)的變化，也具有一定地參考意義。

4.2 小結(jié)

通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行引燃過程的研究，能夠得到熱金屬顆粒材質(zhì)、初始溫度和尺寸對(duì)可燃物引燃形式的影響。當(dāng)前的研究已發(fā)現(xiàn)可燃物的性質(zhì)(種類、形狀、含水率和床層布置形式)、熱金屬顆粒的性質(zhì)(溫度、材質(zhì)及體積)和環(huán)境(濕度及溫度)是判斷引燃形式的重要參數(shù)。然而，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)中所使用的金屬球無法體現(xiàn)真實(shí)火災(zāi)中顆粒的形貌的多樣性，未考慮可燃物的熱解過程，仍不能從機(jī)理上解釋熱金屬顆粒如何決定引燃行為。針對(duì)該問題，可參考使用相關(guān)領(lǐng)域中的熱解模型對(duì)森林可燃物的引燃過程進(jìn)行描述，也可采用多物理場(chǎng)耦合的方法對(duì)該過程進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)熱金屬顆粒的引燃過程進(jìn)行研究，可用于分析森林火災(zāi)區(qū)域地表的熱金屬顆粒，確定事故中火源的初始位置。

5 總結(jié)與展望

近年來，森林中的電力設(shè)施所發(fā)生的短路故障已成為一類新型的火源。為從源頭上遏制此類災(zāi)害，需要對(duì)電氣短路故障的引燃過程進(jìn)行研究。國(guó)外學(xué)者對(duì)此問題的研究開展較早，并從物理角度出發(fā)對(duì)引燃過程進(jìn)行分析。我國(guó)通過在實(shí)驗(yàn)裝置上不斷創(chuàng)新，也取得一定成果。在研究方法上，研究者們多通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法對(duì)影響引燃過程的因素進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)研究方面，已經(jīng)得到一部分影響熱金屬顆粒引燃行為的因素，但需要對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行改進(jìn)以貼近真實(shí)事故中熱金屬顆粒形貌的分布性。在理論研究方面，研究者們根據(jù)守恒理論和連續(xù)介質(zhì)理論，對(duì)熱金屬顆粒的熱量和質(zhì)量傳遞過程進(jìn)行物理建模。該模型缺乏短路電弧和熱金屬顆粒初始狀態(tài)間的關(guān)系，且未對(duì)顆粒金屬在空氣中燃燒的過程進(jìn)行描述，仍需要進(jìn)一步完善。本文根據(jù)目前的研究情況，獲得以下結(jié)論：

(1)現(xiàn)有的研究已確定控制導(dǎo)線碰撞時(shí)的短路時(shí)間可從減小熱金屬顆粒的初始溫度、數(shù)量和單個(gè)體積，通過在線路中增加短路保護(hù)裝置能夠有效地控制此類災(zāi)害；

(2)部分材質(zhì)的熱金屬顆粒在墜落過程中因燃燒反應(yīng)會(huì)增加溫度，在對(duì)森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火源進(jìn)行分析時(shí)需考慮這一特性；

(3)在進(jìn)行電力設(shè)備周邊的營(yíng)林管理時(shí)，需要對(duì)熱金屬顆粒的可能傳播區(qū)域，根據(jù)顆粒的引燃研究成果，對(duì)地表的森林可燃物進(jìn)行定期清理。

雖然現(xiàn)有的研究方法能夠獲得各階段中影響熱金屬顆粒熱量的因素，但尚未構(gòu)建電氣短路到地表森林可燃物引燃的全過程能量傳遞模型，以短路參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和可燃物參數(shù)計(jì)算森林可燃物的引燃概率。在未來的研究中，需要以熱金屬顆粒的熱量作為介質(zhì)，充分考慮傳遞過程中環(huán)境對(duì)能量變化的影響和各物理場(chǎng)間的耦合作用，建立電氣短路對(duì)地表森林可燃物引燃的物理模型。然后參考相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，使用有限元軟件建立多物理場(chǎng)數(shù)值仿真模型，對(duì)引燃過進(jìn)行程快速、直觀的數(shù)值模擬計(jì)算。最后，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果選取影響引燃的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)手段，建立電氣故障引燃概率近似計(jì)算數(shù)學(xué)模型。此外，應(yīng)增加現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)的數(shù)據(jù)觀測(cè)途徑，通過捕捉熱金屬顆粒自生成到引燃過程中的熱量變化，驗(yàn)證電氣故障引燃概率近似計(jì)算數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。通過研究電氣故障引燃概率近似計(jì)算數(shù)學(xué)模型，可以為電力設(shè)備周邊區(qū)域的營(yíng)林管理措施提供理論依據(jù)，從源頭上避免此類災(zāi)害的發(fā)生。