- 頭條華僑大學科研人員在直流故障電弧穩態傳熱特性研究方面取得新進展2022-02-26 作者：吳祺嶸、張認成 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語直流系統中的故障電弧具有持續性，其產生的高溫會釋放能量誘發可燃物燃燒。直流故障電弧難以檢測又極具危害性，對此，機電裝備過程監測及系統優化福建省高校重點實驗室（華僑大學）的研究人員吳祺嶸、張認成、涂然、楊凱、周學進，在2021年第13期《電工技術學報》上撰文，針對直流故障電弧的溫度分布，基于磁流體動力學建立了直流故障電弧穩態傳熱數值模型，對不同電路電壓、電阻、電極間距下的放電過程進行系統的數值研究，得到直流故障電弧的穩態傳熱模型的溫度分布。在模型計算結果的基礎上，揭示了電弧最高溫度變化規律及電弧熱源對于電極內部溫度的傳熱規律。 研究表明，電弧最高溫度會隨電阻的增大呈反比例下降趨勢，隨電極間距的增大呈現分數指數上升規律，隨電路電壓在一定范圍內呈現線性增長，但隨電壓增加溫升速率減小；電弧溫度的提高會使靠近電弧側的電極導體具有較高的溫度下降速率，該速率會隨著導體的延長而降低；電極間距的增大會使電弧最高溫度向尖端電極偏移。
直流系統中因為電纜接頭松脫、接觸不良、導線絕緣破裂等原因極易產生點接觸直流故障電弧，其伴隨著高熱現象的持續產生會不斷地對外界釋放能量，這會使電極材料和絕緣層材料進行能量累積，當能量累積到一定程度時，會導致接觸材料表面受熱熔化，引發電極的燒蝕和絕緣層的熔滴，進而產生電纜火焰的蔓延現象，嚴重危害直流供配電系統的安全運行甚至引發電氣火災事故。
通過導線熱能累積誘發火災的可能性與電弧故障熱能的傳遞情況密切相關，因此，研究直流故障電弧的穩態傳熱特性，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，對于保障直流供配電系統的穩定可靠運行和提高電氣火災事故的預防能力具有重要意義。
電弧的發生是一個極復雜的多物理場耦合現象，涉及電磁學、傳熱學、流體力學、等離子學等多門學科。近年來，隨著計算機技術的發展以及有限元分析軟件的不斷完善，基于計算機的數值仿真模擬技術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、故障電弧神經網絡模型等領域都廣泛存在電弧仿真的應用。
然而，由于電弧的放電行為呈現非穩態瞬時特性，其中交流放電時，電弧特征參量還會表現出周期性，因此相關研究更多集中在交流電弧瞬態模型分析上，關于直流故障電弧的研究極少，相關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律和電弧熱源對于電極的傳熱規律。
針對直流故障電弧穩態時的傳熱特性，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識甚少。華僑大學科研人員采用磁流體動力學建立了直流故障電弧穩態傳熱數值模型，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律及電弧熱源對于電極內部溫度傳熱規律，并進行了實驗驗證。可為直流電弧性電氣火災標準的制定提供理論依據，也為探索耐電弧阻燃電極材料的研制提供參考。
圖1 串聯型直流故障電弧實驗平臺
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論如下：
1）銅電極尖端四周的空氣具有比碳電極電弧側更多的高溫區域。但由于熱導率高，使得銅內部在直流電弧穩定燃燒時保留的熱量低于碳電極，所以穩態時銅導體內部溫度在與中點相同距離的位置低于碳電極。
2）直流故障電弧最高溫度會隨著電路電源電壓的增大在一定范圍內呈現線性增長，但隨電壓增加溫升速率逐漸減小，隨電極間距的增大呈現為分數指數形式的上升規律。同時，電阻等級增大會引起電路中電流的減小，進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，該趨勢會隨電壓增大而越發明顯。
3）雖然電弧發生區域擁有較高的溫度，但是電弧傳導到兩側電極處會發生溫度的驟降，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體溫度下降速率會隨著電弧溫度的提高而提高，但隨著電極長度的延長，電極導體的內部溫度和溫度下降速率會降低。此外，電極間距變化對于電極內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隨著向銅電極方向偏離電極間距中點。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的形狀不一致有關，由于銅電極靠近電弧側是尖端而碳電極是平端，所以穩態時電弧高溫的區域會向相對于平端更無阻礙的尖端擴散，并隨著電弧區域的增大越發明顯。
以上研究成果發表在2021年第13期《電工技術學報》，論文標題為“直流故障電弧穩態傳熱特性仿真研究”，作者為吳祺嶸、張認成 等。
