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)中一種獨特且重要的生態(tài)因子，對土壤[1-2]、氣候、碳循環(huán)[3]、景觀和生物活動[4]起到至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。受人類活動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，美國南加州爆發(fā)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(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個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、40個自然村和16家企業(yè)，迫使許多群眾轉(zhuǎn)移[14-15]。

對于“森林-城鎮(zhèn)”交界域內(nèi)的火災(zāi)，一些學(xué)者采用統(tǒng)計學(xué)方法對易發(fā)區(qū)域和災(zāi)后影響進行預(yù)測。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)計數(shù)據(jù)對災(zāi)害過后的森林景觀變化程度及范圍進行分析，對火災(zāi)造成的損失進行預(yù)估。Fernández-lvarez等[17]通過無人機對“森林-城鎮(zhèn)”交界域進行觀測，根據(jù)激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)對樹木及草灌進行分析，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)工具和決策樹對易發(fā)生森林火災(zāi)的區(qū)域進行預(yù)判。王乾坤等[18]基于大興安嶺地區(qū)2000-2013年8d合成的時間序列數(shù)據(jù)，提出一種檢測森林火燒跡地的方法，可應(yīng)用于森林火災(zāi)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(zhèn)”交界域火災(zāi)進行分析，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，建立森林火險綜合預(yù)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(zāi)發(fā)生的影響。以上研究雖然可以對火災(zāi)高風(fēng)險區(qū)域及災(zāi)后影響進行預(yù)測，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(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，對其中質(zhì)量和熱量的傳遞過程進行分析，再根據(jù)能量傳遞路徑建立相應(yīng)的計算模型，以判斷短路事故能否引發(fā)森林火災(zāi)。本文將從該角度對目前國內(nèi)外林火領(lǐng)域的電氣短路故障引燃研究進行探討，并對現(xiàn)有的實驗方法和理論研究進行介紹，然后總結(jié)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(zāi)的引發(fā)機制

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，還會在運動過程中發(fā)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(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(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，進行室外模擬實驗復(fù)現(xiàn)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(chǎn)生的熱金屬顆粒數(shù)量與直徑進行統(tǒng)計，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)時間較短將更不易引起火災(zāi)。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(guān)系。李陽[26]通過圖2所示的室內(nèi)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(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)出的熱金屬顆粒對木質(zhì)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(fā)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(dǎo)線碰撞實驗中產(chǎn)生的熱金屬顆粒[24-25] 圖2 短路實驗中產(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)線熔化機制較為復(fù)雜，熔池溫度與液態(tài)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(shù)的進步，多物理場耦合仿真技術(shù)被引入到傳統(tǒng)的物理模型計算中。一些學(xué)者通過建立數(shù)值模擬模型，對熱金屬顆粒形成過程中的能量、動量和質(zhì)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(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。但研究對象為非金屬的熔化，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)品的觸點間在分?jǐn)鄷r會發(fā)生瞬間燃弧現(xiàn)象，觸點金屬會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(xué)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(tài)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(yīng)，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(shù)值模擬法能夠?qū)峤饘兕w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(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)。在室外實驗中不易對全部的顆粒進行收集和統(tǒng)計，在建立電流與熱金屬顆粒狀態(tài)間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型時較為困難。采用室內(nèi)實驗對熱金屬顆粒的形成進行研究，雖然可以收集和統(tǒng)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(tài)進行測量。已有學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對火災(zāi)中的熔化過程進行分析，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此類問題進行研究，且研究對象與電弧引起的導(dǎo)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(shù)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(fēng)力的作用下向地面運動。因該過程持續(xù)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(nèi)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(fā)現(xiàn)墜落后的兩種金屬球溫度會分別上升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)。但該實驗中的測溫方式不具備即時性，無法保證實驗數(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(shù)采集墜落過程中熱金屬顆粒的發(fā)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?；诓噬獵CD(電荷耦合器件)的高溫場輻射測溫技術(shù)具有非接觸測溫、響應(yīng)快速、成本低、壽命長、能夠連續(xù)在線測溫并獲得表面溫度場分布的優(yōu)點[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)短路模擬實驗中，對熱金屬顆粒墜落過程中的狀態(tài)進行檢測，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)值計算對熱金屬顆粒的冷卻過程進行研究，預(yù)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(xué)理論對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(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，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。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動軌跡，結(jié)合傳熱學(xué)理論對顆粒在墜落過程中的溫度變化進行計算，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，計算輸電線材質(zhì)、墜落高度、短路持續(xù)時間、風(fēng)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(yīng)用于導(dǎo)線電弧故障對地表松針的引燃事故預(yù)測中?，F(xiàn)有的數(shù)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(yīng)影響，也可借鑒金屬助燃領(lǐng)域的研究成果[43-44]對該部分進行補充。

3.2 小結(jié)

熱金屬顆粒的墜落過程是一個動態(tài)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(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(fù)實驗的一致性。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量問題。數(shù)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(yīng)影響，可結(jié)合金屬助燃領(lǐng)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(dǎo)線發(fā)生短路故障時，對森林火災(zāi)高危區(qū)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(dāng)熱金屬顆粒墜落到地面時，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(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Hadden[45]的實驗系統(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，該套實驗裝置如圖3所示。基于實驗結(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(shù)，對實驗中熱金屬顆粒附近氣體的、能量和流體狀態(tài)進行采集。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)速下對森林可燃物的引燃能力，確定風(fēng)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(tài)間的關(guān)系進行深入研究，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]。在使用金屬球進行實驗時無法體現(xiàn)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(shè)定溫度，影響實驗的準(zhǔn)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(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者也開始關(guān)注熱金屬顆粒對地表可燃物的引燃問題。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(fēng)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(fēng)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(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(dāng)先導(dǎo)點燃源。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)部時的引燃形式。實驗結(jié)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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(shù)，研究墜落高度對顆粒引燃能力的影響。該類室內(nèi)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(guān)系。張運林等[53]在無風(fēng)環(huán)境下向可燃物床層中拋擲火源物，通過672次實驗對不同火源類型的引燃行為進行研究。發(fā)現(xiàn)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(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算模型。Hong Lu等[54]對生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)部的燃燒過程進行研究，建立的計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]基于實驗結(jié)果，建立木質(zhì)纖維素?zé)峤鈩恿W(xué)模型，對可燃性氣體的產(chǎn)量進行計算。除此之外，一些學(xué)者采用多物理場耦合仿真[57]，根據(jù)熱解燃燒方程通過有限元數(shù)值模擬對木質(zhì)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(jié)

通過室內(nèi)模擬實驗進行引燃過程的研究，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)有實驗中所使用的金屬球無法體現(xiàn)真實火災(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(guān)領(lǐng)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(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，需要對電氣短路故障的引燃過程進行研究。國外學(xué)者對此問題的研究開展較早，并從物理角度出發(fā)對引燃過程進行分析。我國通過在實驗裝置上不斷創(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)模擬實驗和理論相結(jié)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(jīng)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(jù)守恒理論和連續(xù)介質(zhì)理論，對熱金屬顆粒的熱量和質(zhì)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(tài)間的關(guān)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(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)線碰撞時的短路時間可從減小熱金屬顆粒的初始溫度、數(shù)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(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)會增加溫度，在對森林火災(zāi)現(xiàn)場的火源進行分析時需考慮這一特性；

(3)在進行電力設(shè)備周邊的營林管理時，需要對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，對地表的森林可燃物進行定期清理。

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(guān)領(lǐng)域的研究成果，使用有限元軟件建立多物理場數(shù)值仿真模型，對引燃過進行程快速、直觀的數(shù)值模擬計算。最后，根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果選取影響引燃的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)手段，建立電氣故障引燃概率近似計算數(shù)學(xué)模型。此外，應(yīng)增加現(xiàn)有實驗內(nèi)的數(shù)據(jù)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(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算數(shù)學(xué)模型，可以為電力設(shè)備周邊區(qū)域的營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。