電氣故障引發的森林火災研究現狀及展望

胡海清，李東暉，郭 妍

(東北林業大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

火作為森林生態系統中一種獨特且重要的生態因子，對土壤[1-2]、氣候、碳循環[3]、景觀和生物活動[4]起到至關重要的調節作用。受人類活動所引起的氣候變化影響，森林火災已經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”交界域(WUI)火災所造成的危害愈演愈烈[7]。其中，森林中各類電力設施與周邊環境構成一類新的“森林-城鎮”交界域，且由風引起的導線碰撞已成為一種新的森林火源[8]。在以往的事故中，火災自森林中產生后向城市擴展，人們僅將風作為一種影響因素考慮。而在電力設施引發的森林火災中，輸電線在風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生的火災，由正在燃燒的可燃物受高能量火和風的作用破碎產生飛火源，其飛遷距離可達幾千米。因此，由電氣短路故障所引起的森林火災應作為一種全新的火源形式去研究。雖然此類火災的偶發性較高，但隱蔽性、突發性和單次的過火面積均大于其他火源[10]。在2007年，美國南加州爆發的兩場大火焚毀近800平方千米的林地和1 100多幢房屋[11]。2015年，美國比優特大火使當地許多民眾流離失所[12]。2018年，森林火災“坎普”焚毀林地超過620平方千米并致使85人遇難[13]。隨著我國電力建設的不斷發展，此類事故也開始發生。2019年，山西沁源因電氣短路故障引發森林火災，共涉及6個鄉鎮、40個自然村和16家企業，迫使許多群眾轉移[14-15]。

對于“森林-城鎮”交界域內的火災，一些學者采用統計學方法對易發區域和災后影響進行預測。Anna Badia等[16]根據加泰羅尼亞地區過去15年的景觀變化和火災情況，將該地區的“森林-城鎮”交界域類型分為城市系統、混農林系統和山區農林系統，并基于Kappa指數使用以往的統計數據對災害過后的森林景觀變化程度及范圍進行分析，對火災造成的損失進行預估。Fernández-lvarez等[17]通過無人機對“森林-城鎮”交界域進行觀測，根據激光雷達點云數據對樹木及草灌進行分析，并結合地理信息系統工具和決策樹對易發生森林火災的區域進行預判。王乾坤等[18]基于大興安嶺地區2000-2013年8d合成的時間序列數據，提出一種檢測森林火燒跡地的方法，可應用于森林火災的影響評估。侯曉靜等[19]采用隨機森林模型的方法，對安徽省2002—2011年間的“森林-城鎮”交界域火災進行分析，發現事故常發生在道路和鐵路線較多的區域，與人為活動密切相關。鄭忠等[20]以重慶市作為研究區域，建立森林火險綜合預報模型，研究氣候條件、地表覆蓋物與人類活動等因素對火災發生的影響。以上研究雖然可以對火災高風險區域及災后影響進行預測，但未涉及具體的引燃過程研究，提出以控制火源為目標的營林手段。因此，需要對電氣短路故障的引燃過程進行機理研究，才可以從源頭上遏制住此類森林火災的發生[21]。因電氣短路故障造成森林火災為連續發生的過程，可以基于連續性理論和守恒理論，對其中質量和熱量的傳遞過程進行分析，再根據能量傳遞路徑建立相應的計算模型，以判斷短路事故能否引發森林火災。本文將從該角度對目前國內外林火領域的電氣短路故障引燃研究進行探討，并對現有的實驗方法和理論研究進行介紹，然后總結目前研究中的不足，最后對未來的研究方向進行展望。

1 電氣短路故障森林火災的引發機制

由電氣短路故障造成的森林火災中，火源物為導線金屬熔化所產生的熱金屬顆粒[22]。首先，輸電導線在風力的作用下發生碰撞引發相間短路。其次，導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，但大多數仍以金屬液滴存在[23]。金屬液滴在空氣中發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，還會在運動過程中發生燃燒，進一步增加熱量。若熱金屬顆粒墜落到地面時的剩余熱量較多，將直接使地表的可燃物發生有焰燃燒。若熱金屬顆粒的剩余熱量未使可燃物揮發出足夠的可燃性氣體，則發生無焰燃燒或未引燃。綜合分析整個引燃過程，可拆為三部分進行討論，即熱金屬顆粒的形成、熱金屬顆粒的墜落和可燃物的引燃。下面將對這三部分的研究進展進行分別討論。

2 熱金屬顆粒的形成階段

2.1 研究進展

導線在碰撞后發生相間短路，使導線金屬在短路電弧的加熱下發生熔化，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，進行室外模擬實驗復現短路過程(電壓：AC 400V；短路電流：650A/900A/1700A)，該實驗如圖1所示。對實驗中所產生的熱金屬顆粒數量與直徑進行統計，發現顆粒的數量及顆粒體積與短路電弧的能量成正相關，即短路持續時間較短將更不易引起火災。因熱金屬顆粒在形成時的初始速度與運動方向較為隨機，不易在野外實驗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際關系。李陽[26]通過圖2所示的室內模擬實驗，控制熱金屬顆粒的濺落范圍，以收集全部的熱金屬顆粒。使放置于木質可燃物上的銅包鋁導線發生短路，并通入50A～300A的電流，利用迸發出的熱金屬顆粒對木質可燃物進行引燃。相較于E Sutlovic等[24-25]的實驗，該方法能夠收集到短路生成的全部熱金屬顆粒，但無法對熱金屬顆粒迸發時的溫度、體積和初速度進行采集，仍不能定量的對熱金屬顆粒的形成過程進行描述。

圖1 導線碰撞實驗中產生的熱金屬顆粒[24-25] 圖2 短路實驗中產生的熱金屬顆粒[26]Fig.1 Generated hot metal particles in the conductor clashing experiment Fig.2 Generated hot metal particles in the short-circuit experiment

由于電弧造成的導線熔化機制較為復雜，熔池溫度與液態金屬的體積受電弧的實際分布和離子輝光干擾，不能直接觀測。隨著計算機技術的進步，多物理場耦合仿真技術被引入到傳統的物理模型計算中。一些學者通過建立數值模擬模型，對熱金屬顆粒形成過程中的能量、動量和質量守恒等控制方程進行求解，可以定量分析熔池過程中液態金屬的質量與體積[27]。陳超等[28]將此技術引入到火災的研究中，基于計算流體力學(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間的變化。根據熱塑性聚合物的熔化溫度與固化溫度，把流場分為流體區、固體區和介于二者間的模糊區，再使用液相分數β表征液相比例。該方法通過仿真技術復現火源物的形成過程，具備高效直觀的優點。但研究對象為非金屬的熔化，且熱源來自環境溫度，不能直接引入到熱金屬顆粒造成的森林火災研究中。電器開關產品的觸點間在分斷時會發生瞬間燃弧現象，觸點金屬會在電弧的作用下熔化并噴濺，該現象與輸電線間的短路現象近似，可參考該類研究建立熱金屬顆粒形成過程的仿真計算模型。Mesyats G等[29]采用 Navier-Stokes(N-S) 方程描述熔化液滴的運動并考慮對流換熱，建立一個二維軸對稱的熔化金屬流體動力學模型，可以描述液滴在多物理場影響下的噴濺過程。進一步，Zhou X等[30]和 Cui X等[31]通過磁流體模型對熔池溫度及熔化金屬的運動進行定量計算，能夠計算受電弧對噴濺過程中液滴運動狀態及溫度的影響。Kaufmann H T C等[32]提出一種考慮等離子云團對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，通過多物理場軟件對直流電弧作用下的熔池與液滴濺射行為進行仿真計算，得到金屬液滴在與基體分離時的溫度、速度、體積與射出角度。相較于模擬實驗法，數值模擬法能夠對熱金屬顆粒形成時的初速度、體積和初始溫度進行計算，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

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量與體積成正相關。在室外實驗中不易對全部的顆粒進行收集和統計，在建立電流與熱金屬顆粒狀態間的數學關系模型時較為困難。采用室內實驗對熱金屬顆粒的形成進行研究，雖然可以收集和統計全部的顆粒，但受電弧弧光的干擾，不能對熱金屬顆粒的初始狀態進行測量。已有學者采用數值模擬的方法對火災中的熔化過程進行分析，所獲結果可以復現顆粒的形成過程。開關電器領域通過磁流體模型對此類問題進行研究，且研究對象與電弧引起的導線熔化較為相近，借鑒此類研究可對熱金屬顆粒的形成階段進行數值模擬計算。通過對熱金屬顆粒的行程過程進行研究，可以從源頭對引燃森林可燃物的能力進行判定。

3 熱金屬顆粒的墜落階段

3.1 研究進展

在熱金屬顆粒形成后，會在重力和風力的作用下向地面運動。因該過程持續時間較短，不易在戶外實驗中對熱金屬顆粒的墜落過程進行觀測，G.K. Soulinaris等[34]在室內模擬實驗中將直徑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，最后通過熱電偶對落地后的顆粒溫度進行測量，發現墜落后的兩種金屬球溫度會分別上升29℃和6℃，該結果證明熱金屬顆粒在墜落過程中伴隨著燃燒反應。但該實驗中的測溫方式不具備即時性，無法保證實驗數據的準確性，僅能給出定性結論。為解決熱電偶等接觸式測溫傳感器無法實時地獲得墜落過程中的熱金屬顆粒溫度，Liu Y等[35]使用高速攝像技術采集墜落過程中熱金屬顆粒的發光運動軌跡，對軌跡進行比色測溫處理可獲得顆粒的速度和溫度變化情況。基于彩色CCD(電荷耦合器件)的高溫場輻射測溫技術具有非接觸測溫、響應快速、成本低、壽命長、能夠連續在線測溫并獲得表面溫度場分布的優點[36],已在一些金屬燃燒和等離子體燃燒領域取得極佳的成果[37-38]。可將該方法引入室內短路模擬實驗中，對熱金屬顆粒墜落過程中的狀態進行檢測，獲得該過程中熱量的變化。

一些學者根據介質連續性理論，采用數值計算對熱金屬顆粒的冷卻過程進行研究，預測其著落后的溫度變化情況。Mills A F[22]及Stephen D Tse等[39]基于傳熱學理論對銅和鋁金屬顆粒在墜落過程中的溫度變化建立數學模型，發現熱金屬顆粒的墜落距離取決于墜落高度、風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生燃燒，且其密度和比熱容均大于鋁，在落地時將會攜帶更多的熱量。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粒可以降至地面引發火災。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，但仍具引發森林火災的能力。Costa J Rallis等[40]根據導線形成的鋁金屬顆粒溫度低于其熔點，假設熱金屬顆粒的形狀為規則的球形，且墜落過程中不存在質量損失。在考慮熱金屬顆粒的初始速度基礎上，建立熱金屬顆粒初始溫度、顆粒直徑、垂直速度、風速與顆粒剩余溫度間的計算模型，并確定大風環境下熱金屬顆粒墜落后的溫度仍大于森林可燃物的燃點。Psarros E G等[41]通過流體方程推導熱金屬顆粒在風力和重力綜合作用下的運動軌跡，結合傳熱學理論對顆粒在墜落過程中的溫度變化進行計算，發現熱金屬顆粒的剩余溫度取決于顆粒直徑、墜落高度和風速。M Majstrovic等[42]從能量傳遞的角度出發，以電弧作為能量來源，計算輸電線材質、墜落高度、短路持續時間、風速等影響因素對熱金屬顆粒墜落后剩余溫度的影響，并將該模型應用于導線電弧故障對地表松針的引燃事故預測中。現有的數值計算研究中未考慮熱金屬顆粒在墜落過程中的燃燒反應影響，也可借鑒金屬助燃領域的研究成果[43-44]對該部分進行補充。

3.2 小結

熱金屬顆粒的墜落過程是一個動態的過程，不易直接對運動過程中的體積和溫度變化進行測量。目前，已確定導線材質、顆粒初始速度、顆粒初始溫度、墜落高度和風速是影響熱金屬顆粒墜落后剩余溫度的主要影響因素。現有的實驗研究僅能對熱金屬顆粒運動前后溫度進行測量，無法保證重復實驗的一致性。一些學者正在嘗試使用圖像處理和高速攝像技術解決墜落過程研究中的測量問題。數值計算基于物理模型計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影響，可結合金屬助燃領域的研究成果進行補充。使用熱金屬顆粒墜落過程中熱量的變化計算模型，可以在導線發生短路故障時，對森林火災高危區域進行劃定。

4 熱金屬顆粒對森林可燃物的引燃階段

4.1 研究進展

當熱金屬顆粒墜落到地面時，將與地表的森林可燃物發生換熱。根據熱金屬顆粒此時的溫度，森林可燃物可能發生有焰燃燒、無焰燃燒或未被引燃[9]。美國加州大學伯克利分校(Berkeley)的Hadden等[45]將金屬球加熱后拋到人工布置的可燃物上，通過實驗對熱金屬顆粒的引燃過程進行研究，從引燃概率的角度證明森林火災的發生與熱金屬顆粒的尺寸和初始溫度直接相關。Casey D Zak通過改進Hadden[45]的實驗系統，將不同材質、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行加熱。當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，該套實驗裝置如圖3所示。基于實驗結論，該學者認為墜落到地表可燃物上的熱金屬顆粒可視為嵌入平面的球體，其中一半的球體向空氣中釋放熱量，另一半的球體對地表可燃物進行傳熱，該模型能夠解釋有焰燃燒、無焰燃燒和未引燃三種情況時熱金屬顆粒對地表可燃物的傳熱機制[46]。然后通過紋影成像技術，對實驗中熱金屬顆粒附近氣體的、能量和流體狀態進行采集。最后，通過比較不同材質、不同直徑和不同初始溫度的熱金屬顆粒在各風速下對森林可燃物的引燃能力，確定風力對熱金屬顆粒的引燃過程十分重要。此外，在引燃形式相同時，體積較大的熱金屬顆粒所需要的初始溫度更低。進一步，該團隊還對熱金屬顆粒與可燃物燃燒狀態間的關系進行深入研究，確定可燃物的性質(含水率及形狀)、顆粒的性質(溫度、材質及體積)和環境(濕度及溫度)是判斷引燃形式的重要參數[47-48]。在使用金屬球進行實驗時無法體現真實事故中熱金屬顆粒形貌的不確定性。且將被測樣品移出管式爐時，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定溫度，影響實驗的準確度。

圖3 熱金屬顆粒引燃實驗裝置[46] 圖4 改進后的熱金屬顆粒引燃實驗裝置[50]Fig.3 Experimental apparatus for ignition of hot metal particles Fig.4 Improved experimental device for ignition of hot metal particles

隨著我國電力設施建設的不斷發展，國內學者也開始關注熱金屬顆粒對地表可燃物的引燃問題。中國科學技術大學的王蘇盼對其之前的實驗[49]裝置進行改進[50]，使熱金屬顆粒在加熱后自由墜落，減少熱量損失。并加入風速變量并使用相機對可燃物的燃燒情況進行記錄，以研究風力作用下熱金屬顆粒對松針的引燃特性。相較于文獻[46]中的方案，該實驗系統(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滑出，避免轉運過程造成的熱量損失。該實驗證明熱金屬顆粒在直接引燃可燃物時，既是加熱源也充當先導點燃源。而在由無焰燃燒向有焰燃燒的轉變過程中，熱金屬顆粒僅充當加熱源。

李夢媛等[51]將具有加熱功能的金屬球放置于可燃物內部，研究熱金屬顆粒墜落到松散可燃物內部時的引燃形式。實驗結果表明，熱金屬顆粒會使其附近的可燃物熱解并形成疏松結構的碳層，影響熱金屬顆粒與可燃物間的傳熱機制。彭志紅[52]在王蘇盼[50]的基礎上，進一步對實驗裝置進行改進。將熱金屬顆粒和燃燒床間的高度作為可控參數，研究墜落高度對顆粒引燃能力的影響。該類室內模擬實驗具有參考意義，但未考慮可燃物布置形式與熱金屬顆粒引燃形式間的關系。張運林等[53]在無風環境下向可燃物床層中拋擲火源物，通過672次實驗對不同火源類型的引燃行為進行研究。發現在可燃物成分相同時，除火源類型外，可燃物的含水率和床層密實度也對引燃行為具有很大的影響。

在其他因素相同時，森林可燃物的熱解特性也將對燃燒行為造成影響。由于生物質燃燒爐的燃料與森林可燃物的主要成分均為木質纖維素，可以借鑒該領域對可燃物熱解的研究成果，建立森林可燃物燃燒過程的計算模型。Hong Lu等[54]對生物質燃燒爐內部的燃燒過程進行研究，建立的計算模型能夠模擬生物質顆粒的干燥、碳化及氣相燃燒等過程，可以較好地描述單顆粒生物質燃料的燃燒速率。Szymon Sobek等[55]和戴佳昆[56]基于實驗結果，建立木質纖維素熱解動力學模型，對可燃性氣體的產量進行計算。除此之外，一些學者采用多物理場耦合仿真[57]，根據熱解燃燒方程通過有限元數值模擬對木質可燃物的燃燒行為進行計算，可直觀得到可燃性氣體在燃燒時組分、熱場與流場的變化，也具有一定地參考意義。

4.2 小結

通過室內模擬實驗進行引燃過程的研究，能夠得到熱金屬顆粒材質、初始溫度和尺寸對可燃物引燃形式的影響。當前的研究已發現可燃物的性質(種類、形狀、含水率和床層布置形式)、熱金屬顆粒的性質(溫度、材質及體積)和環境(濕度及溫度)是判斷引燃形式的重要參數。然而，現有實驗中所使用的金屬球無法體現真實火災中顆粒的形貌的多樣性，未考慮可燃物的熱解過程，仍不能從機理上解釋熱金屬顆粒如何決定引燃行為。針對該問題，可參考使用相關領域中的熱解模型對森林可燃物的引燃過程進行描述，也可采用多物理場耦合的方法對該過程進行模擬計算。對熱金屬顆粒的引燃過程進行研究，可用于分析森林火災區域地表的熱金屬顆粒，確定事故中火源的初始位置。

5 總結與展望

近年來，森林中的電力設施所發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害，需要對電氣短路故障的引燃過程進行研究。國外學者對此問題的研究開展較早，并從物理角度出發對引燃過程進行分析。我國通過在實驗裝置上不斷創新，也取得一定成果。在研究方法上，研究者們多通過室內模擬實驗和理論相結合的方法對影響引燃過程的因素進行分析。在實驗研究方面，已經得到一部分影響熱金屬顆粒引燃行為的因素，但需要對實驗樣品進行改進以貼近真實事故中熱金屬顆粒形貌的分布性。在理論研究方面，研究者們根據守恒理論和連續介質理論，對熱金屬顆粒的熱量和質量傳遞過程進行物理建模。該模型缺乏短路電弧和熱金屬顆粒初始狀態間的關系，且未對顆粒金屬在空氣中燃燒的過程進行描述，仍需要進一步完善。本文根據目前的研究情況，獲得以下結論：

(1)現有的研究已確定控制導線碰撞時的短路時間可從減小熱金屬顆粒的初始溫度、數量和單個體積，通過在線路中增加短路保護裝置能夠有效地控制此類災害；

(2)部分材質的熱金屬顆粒在墜落過程中因燃燒反應會增加溫度，在對森林火災現場的火源進行分析時需考慮這一特性；

(3)在進行電力設備周邊的營林管理時，需要對熱金屬顆粒的可能傳播區域，根據顆粒的引燃研究成果，對地表的森林可燃物進行定期清理。

雖然現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、環境參數和可燃物參數計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，充分考慮傳遞過程中環境對能量變化的影響和各物理場間的耦合作用，建立電氣短路對地表森林可燃物引燃的物理模型。然后參考相關領域的研究成果，使用有限元軟件建立多物理場數值仿真模型，對引燃過進行程快速、直觀的數值模擬計算。最后，根據數值模擬計算結果選取影響引燃的關鍵參數，結合統計學手段，建立電氣故障引燃概率近似計算數學模型。此外，應增加現有實驗內的數據觀測途徑，通過捕捉熱金屬顆粒自生成到引燃過程中的熱量變化，驗證電氣故障引燃概率近似計算數學模型的準確性。通過研究電氣故障引燃概率近似計算數學模型，可以為電力設備周邊區域的營林管理措施提供理論依據，從源頭上避免此類災害的發生。