电气故障引发的森林火灾研究现状及展望

胡海清，李东晖，郭 妍

(东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

火作为森林生态系统中一种独特且重要的生态因子，对土壤[1-2]、气候、碳循环[3]、景观和生物活动[4]起到至关重要的调节作用。受人类活动所引起的气候变化影响，森林火灾已经成为造成森林覆盖率下降和空气污染的主要因素[5-6]，使人们的健康受到威胁。近年来，“森林-城镇”交界域(WUI)火灾所造成的危害愈演愈烈[7]。其中，森林中各类电力设施与周边环境构成一类新的“森林-城镇”交界域，且由风引起的导线碰撞已成为一种新的森林火源[8]。在以往的事故中，火灾自森林中产生后向城市扩展，人们仅将风作为一种影响因素考虑。而在电力设施引发的森林火灾中，输电线在风力的作用下碰撞燃弧，并形成热金属颗粒。这些颗粒在重力的作用下坠落到地面后，其剩余热量将地表的森林可燃物引燃。热金属颗粒的传播形式与飞火的飞迁方式较为接近[9]，但热金属颗粒的能量来源于短路电弧，而非已燃着的森林可燃物，且传播距离也较短。而飞火的引燃过程需要先期发生的火灾，由正在燃烧的可燃物受高能量火和风的作用破碎产生飞火源，其飞迁距离可达几千米。因此，由电气短路故障所引起的森林火灾应作为一种全新的火源形式去研究。虽然此类火灾的偶发性较高，但隐蔽性、突发性和单次的过火面积均大于其他火源[10]。在2007年，美国南加州爆发的两场大火焚毁近800平方千米的林地和1 100多幢房屋[11]。2015年，美国比优特大火使当地许多民众流离失所[12]。2018年，森林火灾“坎普”焚毁林地超过620平方千米并致使85人遇难[13]。随着我国电力建设的不断发展，此类事故也开始发生。2019年，山西沁源因电气短路故障引发森林火灾，共涉及6个乡镇、40个自然村和16家企业，迫使许多群众转移[14-15]。

对于“森林-城镇”交界域内的火灾，一些学者采用统计学方法对易发区域和灾后影响进行预测。Anna Badia等[16]根据加泰罗尼亚地区过去15年的景观变化和火灾情况，将该地区的“森林-城镇”交界域类型分为城市系统、混农林系统和山区农林系统，并基于Kappa指数使用以往的统计数据对灾害过后的森林景观变化程度及范围进行分析，对火灾造成的损失进行预估。Fernández-lvarez等[17]通过无人机对“森林-城镇”交界域进行观测，根据激光雷达点云数据对树木及草灌进行分析，并结合地理信息系统工具和决策树对易发生森林火灾的区域进行预判。王乾坤等[18]基于大兴安岭地区2000-2013年8d合成的时间序列数据，提出一种检测森林火烧迹地的方法，可应用于森林火灾的影响评估。侯晓静等[19]采用随机森林模型的方法，对安徽省2002—2011年间的“森林-城镇”交界域火灾进行分析，发现事故常发生在道路和铁路线较多的区域，与人为活动密切相关。郑忠等[20]以重庆市作为研究区域，建立森林火险综合预报模型，研究气候条件、地表覆盖物与人类活动等因素对火灾发生的影响。以上研究虽然可以对火灾高风险区域及灾后影响进行预测，但未涉及具体的引燃过程研究，提出以控制火源为目标的营林手段。因此，需要对电气短路故障的引燃过程进行机理研究，才可以从源头上遏制住此类森林火灾的发生[21]。因电气短路故障造成森林火灾为连续发生的过程，可以基于连续性理论和守恒理论，对其中质量和热量的传递过程进行分析，再根据能量传递路径建立相应的计算模型，以判断短路事故能否引发森林火灾。本文将从该角度对目前国内外林火领域的电气短路故障引燃研究进行探讨，并对现有的实验方法和理论研究进行介绍，然后总结目前研究中的不足，最后对未来的研究方向进行展望。

1 电气短路故障森林火灾的引发机制

由电气短路故障造成的森林火灾中，火源物为导线金属熔化所产生的热金属颗粒[22]。首先，输电导线在风力的作用下发生碰撞引发相间短路。其次，导线金属在短路电弧的高温下熔化，在此过程中虽然有少部分的金属被汽化，但大多数仍以金属液滴存在[23]。金属液滴在空气中发生冷却并形成热金属颗粒。随后，热金属颗粒在火羽流、重力及风力的影响下向地面坠落。若热金属颗粒的初始温度较高，还会在运动过程中发生燃烧，进一步增加热量。若热金属颗粒坠落到地面时的剩余热量较多，将直接使地表的可燃物发生有焰燃烧。若热金属颗粒的剩余热量未使可燃物挥发出足够的可燃性气体，则发生无焰燃烧或未引燃。综合分析整个引燃过程，可拆为三部分进行讨论，即热金属颗粒的形成、热金属颗粒的坠落和可燃物的引燃。下面将对这三部分的研究进展进行分别讨论。

2 热金属颗粒的形成阶段

2.1 研究进展

导线在碰撞后发生相间短路，使导线金属在短路电弧的加热下发生熔化，形成热金属颗粒。为研究此过程，E Sutlovic等[24-25]通过绝缘棒使户外纯铝输电线碰撞，进行室外模拟实验复现短路过程(电压：AC 400V；短路电流：650A/900A/1700A)，该实验如图1所示。对实验中所产生的热金属颗粒数量与直径进行统计，发现颗粒的数量及颗粒体积与短路电弧的能量成正相关，即短路持续时间较短将更不易引起火灾。因热金属颗粒在形成时的初始速度与运动方向较为随机，不易在野外实验中收集到全部的颗粒，无法建立短路电流与热金属颗粒体积间的实际关系。李阳[26]通过图2所示的室内模拟实验，控制热金属颗粒的溅落范围，以收集全部的热金属颗粒。使放置于木质可燃物上的铜包铝导线发生短路，并通入50A～300A的电流，利用迸发出的热金属颗粒对木质可燃物进行引燃。相较于E Sutlovic等[24-25]的实验，该方法能够收集到短路生成的全部热金属颗粒，但无法对热金属颗粒迸发时的温度、体积和初速度进行采集，仍不能定量的对热金属颗粒的形成过程进行描述。

图1 导线碰撞实验中产生的热金属颗粒[24-25] 图2 短路实验中产生的热金属颗粒[26]Fig.1 Generated hot metal particles in the conductor clashing experiment Fig.2 Generated hot metal particles in the short-circuit experiment

由于电弧造成的导线熔化机制较为复杂，熔池温度与液态金属的体积受电弧的实际分布和离子辉光干扰，不能直接观测。随着计算机技术的进步，多物理场耦合仿真技术被引入到传统的物理模型计算中。一些学者通过建立数值模拟模型，对热金属颗粒形成过程中的能量、动量和质量守恒等控制方程进行求解，可以定量分析熔池过程中液态金属的质量与体积[27]。陈超等[28]将此技术引入到火灾的研究中，基于计算流体力学(CFD)建立热塑性聚合物熔化过程的仿真模型，分析熔滴尺寸与滴落时间的变化。根据热塑性聚合物的熔化温度与固化温度，把流场分为流体区、固体区和介于二者间的模糊区，再使用液相分数β表征液相比例。该方法通过仿真技术复现火源物的形成过程，具备高效直观的优点。但研究对象为非金属的熔化，且热源来自环境温度，不能直接引入到热金属颗粒造成的森林火灾研究中。电器开关产品的触点间在分断时会发生瞬间燃弧现象，触点金属会在电弧的作用下熔化并喷溅，该现象与输电线间的短路现象近似，可参考该类研究建立热金属颗粒形成过程的仿真计算模型。Mesyats G等[29]采用 Navier-Stokes(N-S) 方程描述熔化液滴的运动并考虑对流换热，建立一个二维轴对称的熔化金属流体动力学模型，可以描述液滴在多物理场影响下的喷溅过程。进一步，Zhou X等[30]和 Cui X等[31]通过磁流体模型对熔池温度及熔化金属的运动进行定量计算，能够计算受电弧对喷溅过程中液滴运动状态及温度的影响。Kaufmann H T C等[32]提出一种考虑等离子云团对电极表面作用的金属液滴溅射模型，并在模型中考虑电弧力对金属液滴的综合作用。Kai Bo等[33]综合前人的理论研究，考虑金属熔化相变过程及 Marangoni效应，通过多物理场软件对直流电弧作用下的熔池与液滴溅射行为进行仿真计算，得到金属液滴在与基体分离时的温度、速度、体积与射出角度。相较于模拟实验法，数值模拟法能够对热金属颗粒形成时的初速度、体积和初始温度进行计算，能够直观、量化的给出影响热金属颗粒形成的因素。

2.2 小结

目前，在热金属颗粒形成过程的研究中，已确定短路电弧的能量与热金属颗粒的数量与体积成正相关。在室外实验中不易对全部的颗粒进行收集和统计，在建立电流与热金属颗粒状态间的数学关系模型时较为困难。采用室内实验对热金属颗粒的形成进行研究，虽然可以收集和统计全部的颗粒，但受电弧弧光的干扰，不能对热金属颗粒的初始状态进行测量。已有学者采用数值模拟的方法对火灾中的熔化过程进行分析，所获结果可以复现颗粒的形成过程。开关电器领域通过磁流体模型对此类问题进行研究，且研究对象与电弧引起的导线熔化较为相近，借鉴此类研究可对热金属颗粒的形成阶段进行数值模拟计算。通过对热金属颗粒的行程过程进行研究，可以从源头对引燃森林可燃物的能力进行判定。

3 热金属颗粒的坠落阶段

3.1 研究进展

在热金属颗粒形成后，会在重力和风力的作用下向地面运动。因该过程持续时间较短，不易在户外实验中对热金属颗粒的坠落过程进行观测，G.K. Soulinaris等[34]在室内模拟实验中将直径0.5 mm和1 mm的铝金属球加热至630℃，再使其从5 m的高度坠落，最后通过热电偶对落地后的颗粒温度进行测量，发现坠落后的两种金属球温度会分别上升29℃和6℃，该结果证明热金属颗粒在坠落过程中伴随着燃烧反应。但该实验中的测温方式不具备即时性，无法保证实验数据的准确性，仅能给出定性结论。为解决热电偶等接触式测温传感器无法实时地获得坠落过程中的热金属颗粒温度，Liu Y等[35]使用高速摄像技术采集坠落过程中热金属颗粒的发光运动轨迹，对轨迹进行比色测温处理可获得颗粒的速度和温度变化情况。基于彩色CCD(电荷耦合器件)的高温场辐射测温技术具有非接触测温、响应快速、成本低、寿命长、能够连续在线测温并获得表面温度场分布的优点[36],已在一些金属燃烧和等离子体燃烧领域取得极佳的成果[37-38]。可将该方法引入室内短路模拟实验中，对热金属颗粒坠落过程中的状态进行检测，获得该过程中热量的变化。

一些学者根据介质连续性理论，采用数值计算对热金属颗粒的冷却过程进行研究，预测其着落后的温度变化情况。Mills A F[22]及Stephen D Tse等[39]基于传热学理论对铜和铝金属颗粒在坠落过程中的温度变化建立数学模型，发现热金属颗粒的坠落距离取决于坠落高度、风速和颗粒自身的性能。此外，由于铜金属颗粒在坠落的过程中很难发生燃烧，且其密度和比热容均大于铝，在落地时将会携带更多的热量。而体积较小的铝金属颗粒在坠落的过程中大部分已燃烧殆尽，只有部分体积较大的铝金属颗粒可以降至地面引发火灾。他们的研究从理论上证明即使热金属颗粒在坠落过程中存在冷却，但仍具引发森林火灾的能力。Costa J Rallis等[40]根据导线形成的铝金属颗粒温度低于其熔点，假设热金属颗粒的形状为规则的球形，且坠落过程中不存在质量损失。在考虑热金属颗粒的初始速度基础上，建立热金属颗粒初始温度、颗粒直径、垂直速度、风速与颗粒剩余温度间的计算模型，并确定大风环境下热金属颗粒坠落后的温度仍大于森林可燃物的燃点。Psarros E G等[41]通过流体方程推导热金属颗粒在风力和重力综合作用下的运动轨迹，结合传热学理论对颗粒在坠落过程中的温度变化进行计算，发现热金属颗粒的剩余温度取决于颗粒直径、坠落高度和风速。M Majstrovic等[42]从能量传递的角度出发，以电弧作为能量来源，计算输电线材质、坠落高度、短路持续时间、风速等影响因素对热金属颗粒坠落后剩余温度的影响，并将该模型应用于导线电弧故障对地表松针的引燃事故预测中。现有的数值计算研究中未考虑热金属颗粒在坠落过程中的燃烧反应影响，也可借鉴金属助燃领域的研究成果[43-44]对该部分进行补充。

3.2 小结

热金属颗粒的坠落过程是一个动态的过程，不易直接对运动过程中的体积和温度变化进行测量。目前，已确定导线材质、颗粒初始速度、颗粒初始温度、坠落高度和风速是影响热金属颗粒坠落后剩余温度的主要影响因素。现有的实验研究仅能对热金属颗粒运动前后温度进行测量，无法保证重复实验的一致性。一些学者正在尝试使用图像处理和高速摄像技术解决坠落过程研究中的测量问题。数值计算基于物理模型计算热金属颗粒在坠落过程中的热量变化，但还需考虑热金属颗粒自身的燃烧反应影响，可结合金属助燃领域的研究成果进行补充。使用热金属颗粒坠落过程中热量的变化计算模型，可以在导线发生短路故障时，对森林火灾高危区域进行划定。

4 热金属颗粒对森林可燃物的引燃阶段

4.1 研究进展

当热金属颗粒坠落到地面时，将与地表的森林可燃物发生换热。根据热金属颗粒此时的温度，森林可燃物可能发生有焰燃烧、无焰燃烧或未被引燃[9]。美国加州大学伯克利分校(Berkeley)的Hadden等[45]将金属球加热后抛到人工布置的可燃物上，通过实验对热金属颗粒的引燃过程进行研究，从引燃概率的角度证明森林火灾的发生与热金属颗粒的尺寸和初始温度直接相关。Casey D Zak通过改进Hadden[45]的实验系统，将不同材质、不同直径的金属球置于试样勺中，再将其伸入至管式炉中进行加热。当加热到指定温度后抽出试样勺，并让热金属球在重力的作用下坠落到人工布置的燃料床中，该套实验装置如图3所示。基于实验结论，该学者认为坠落到地表可燃物上的热金属颗粒可视为嵌入平面的球体，其中一半的球体向空气中释放热量，另一半的球体对地表可燃物进行传热，该模型能够解释有焰燃烧、无焰燃烧和未引燃三种情况时热金属颗粒对地表可燃物的传热机制[46]。然后通过纹影成像技术，对实验中热金属颗粒附近气体的、能量和流体状态进行采集。最后，通过比较不同材质、不同直径和不同初始温度的热金属颗粒在各风速下对森林可燃物的引燃能力，确定风力对热金属颗粒的引燃过程十分重要。此外，在引燃形式相同时，体积较大的热金属颗粒所需要的初始温度更低。进一步，该团队还对热金属颗粒与可燃物燃烧状态间的关系进行深入研究，确定可燃物的性质(含水率及形状)、颗粒的性质(温度、材质及体积)和环境(湿度及温度)是判断引燃形式的重要参数[47-48]。在使用金属球进行实验时无法体现真实事故中热金属颗粒形貌的不确定性。且将被测样品移出管式炉时，将造成部分热量损失，使颗粒的坠落初始温度低于在管式炉的设定温度，影响实验的准确度。

图3 热金属颗粒引燃实验装置[46] 图4 改进后的热金属颗粒引燃实验装置[50]Fig.3 Experimental apparatus for ignition of hot metal particles Fig.4 Improved experimental device for ignition of hot metal particles

随着我国电力设施建设的不断发展，国内学者也开始关注热金属颗粒对地表可燃物的引燃问题。中国科学技术大学的王苏盼对其之前的实验[49]装置进行改进[50]，使热金属颗粒在加热后自由坠落，减少热量损失。并加入风速变量并使用相机对可燃物的燃烧情况进行记录，以研究风力作用下热金属颗粒对松针的引燃特性。相较于文献[46]中的方案，该实验系统(图4)将加热管倾斜放置，使加热后的热金属球在重力的作用下从炉内滑出，避免转运过程造成的热量损失。该实验证明热金属颗粒在直接引燃可燃物时，既是加热源也充当先导点燃源。而在由无焰燃烧向有焰燃烧的转变过程中，热金属颗粒仅充当加热源。

李梦媛等[51]将具有加热功能的金属球放置于可燃物内部，研究热金属颗粒坠落到松散可燃物内部时的引燃形式。实验结果表明，热金属颗粒会使其附近的可燃物热解并形成疏松结构的碳层，影响热金属颗粒与可燃物间的传热机制。彭志红[52]在王苏盼[50]的基础上，进一步对实验装置进行改进。将热金属颗粒和燃烧床间的高度作为可控参数，研究坠落高度对颗粒引燃能力的影响。该类室内模拟实验具有参考意义，但未考虑可燃物布置形式与热金属颗粒引燃形式间的关系。张运林等[53]在无风环境下向可燃物床层中抛掷火源物，通过672次实验对不同火源类型的引燃行为进行研究。发现在可燃物成分相同时，除火源类型外，可燃物的含水率和床层密实度也对引燃行为具有很大的影响。

在其他因素相同时，森林可燃物的热解特性也将对燃烧行为造成影响。由于生物质燃烧炉的燃料与森林可燃物的主要成分均为木质纤维素，可以借鉴该领域对可燃物热解的研究成果，建立森林可燃物燃烧过程的计算模型。Hong Lu等[54]对生物质燃烧炉内部的燃烧过程进行研究，建立的计算模型能够模拟生物质颗粒的干燥、碳化及气相燃烧等过程，可以较好地描述单颗粒生物质燃料的燃烧速率。Szymon Sobek等[55]和戴佳昆[56]基于实验结果，建立木质纤维素热解动力学模型，对可燃性气体的产量进行计算。除此之外，一些学者采用多物理场耦合仿真[57]，根据热解燃烧方程通过有限元数值模拟对木质可燃物的燃烧行为进行计算，可直观得到可燃性气体在燃烧时组分、热场与流场的变化，也具有一定地参考意义。

4.2 小结

通过室内模拟实验进行引燃过程的研究，能够得到热金属颗粒材质、初始温度和尺寸对可燃物引燃形式的影响。当前的研究已发现可燃物的性质(种类、形状、含水率和床层布置形式)、热金属颗粒的性质(温度、材质及体积)和环境(湿度及温度)是判断引燃形式的重要参数。然而，现有实验中所使用的金属球无法体现真实火灾中颗粒的形貌的多样性，未考虑可燃物的热解过程，仍不能从机理上解释热金属颗粒如何决定引燃行为。针对该问题，可参考使用相关领域中的热解模型对森林可燃物的引燃过程进行描述，也可采用多物理场耦合的方法对该过程进行模拟计算。对热金属颗粒的引燃过程进行研究，可用于分析森林火灾区域地表的热金属颗粒，确定事故中火源的初始位置。

5 总结与展望

近年来，森林中的电力设施所发生的短路故障已成为一类新型的火源。为从源头上遏制此类灾害，需要对电气短路故障的引燃过程进行研究。国外学者对此问题的研究开展较早，并从物理角度出发对引燃过程进行分析。我国通过在实验装置上不断创新，也取得一定成果。在研究方法上，研究者们多通过室内模拟实验和理论相结合的方法对影响引燃过程的因素进行分析。在实验研究方面，已经得到一部分影响热金属颗粒引燃行为的因素，但需要对实验样品进行改进以贴近真实事故中热金属颗粒形貌的分布性。在理论研究方面，研究者们根据守恒理论和连续介质理论，对热金属颗粒的热量和质量传递过程进行物理建模。该模型缺乏短路电弧和热金属颗粒初始状态间的关系，且未对颗粒金属在空气中燃烧的过程进行描述，仍需要进一步完善。本文根据目前的研究情况，获得以下结论：

(1)现有的研究已确定控制导线碰撞时的短路时间可从减小热金属颗粒的初始温度、数量和单个体积，通过在线路中增加短路保护装置能够有效地控制此类灾害；

(2)部分材质的热金属颗粒在坠落过程中因燃烧反应会增加温度，在对森林火灾现场的火源进行分析时需考虑这一特性；

(3)在进行电力设备周边的营林管理时，需要对热金属颗粒的可能传播区域，根据颗粒的引燃研究成果，对地表的森林可燃物进行定期清理。

虽然现有的研究方法能够获得各阶段中影响热金属颗粒热量的因素，但尚未构建电气短路到地表森林可燃物引燃的全过程能量传递模型，以短路参数、环境参数和可燃物参数计算森林可燃物的引燃概率。在未来的研究中，需要以热金属颗粒的热量作为介质，充分考虑传递过程中环境对能量变化的影响和各物理场间的耦合作用，建立电气短路对地表森林可燃物引燃的物理模型。然后参考相关领域的研究成果，使用有限元软件建立多物理场数值仿真模型，对引燃过进行程快速、直观的数值模拟计算。最后，根据数值模拟计算结果选取影响引燃的关键参数，结合统计学手段，建立电气故障引燃概率近似计算数学模型。此外，应增加现有实验内的数据观测途径，通过捕捉热金属颗粒自生成到引燃过程中的热量变化，验证电气故障引燃概率近似计算数学模型的准确性。通过研究电气故障引燃概率近似计算数学模型，可以为电力设备周边区域的营林管理措施提供理论依据，从源头上避免此类灾害的发生。