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直流系统中的故障电弧具有持续性，其产生的高温会释放能量诱发可燃物燃烧。直流故障电弧难以检测又极具危害性，对此，机电装备过程监测及系统优化福建省高校重点实验室（华侨大学）的研究人员吴祺嵘、张认成、涂然、杨凯、周学进，在2021年第13期《电工技术学报》上撰文，针对直流故障电弧的温度分布，基于磁流体动力学建立了直流故障电弧稳态传热数值模型，对不同电路电压、电阻、电极间距下的放电过程进行系统的数值研究，得到直流故障电弧的稳态传热模型的温度分布。在模型计算结果的基础上，揭示了电弧最高温度变化规律及电弧热源对于电极内部温度的传热规律。 研究表明，电弧最高温度会随电阻的增大呈反比例下降趋势，随电极间距的增大呈现分数指数上升规律，随电路电压在一定范围内呈现线性增长，但随电压增加温升速率减小；电弧温度的提高会使靠近电弧侧的电极导体具有较高的温度下降速率，该速率会随着导体的延长而降低；电极间距的增大会使电弧最高温度向尖端电极偏移。
直流系统中因为电缆接头松脱、接触不良、导线绝缘破裂等原因极易产生点接触直流故障电弧，其伴随着高热现象的持续产生会不断地对外界释放能量，这会使电极材料和绝缘层材料进行能量累积，当能量累积到一定程度时，会导致接触材料表面受热熔化，引发电极的烧蚀和绝缘层的熔滴，进而产生电缆火焰的蔓延现象，严重危害直流供配电系统的安全运行甚至引发电气火灾事故。
通过导线热能累积诱发火灾的可能性与电弧故障热能的传递情况密切相关，因此，研究直流故障电弧的稳态传热特性，可为探究耐电弧烧蚀材料及直流防火电缆的研制提供理论依据，对于保障直流供配电系统的稳定可靠运行和提高电气火灾事故的预防能力具有重要意义。
电弧的发生是一个极复杂的多物理场耦合现象，涉及电磁学、传热学、流体力学、等离子学等多门学科。近年来，随着计算机技术的发展以及有限元分析软件的不断完善，基于计算机的数值仿真模拟技术已成为研究和分析工程热物理问题的高效手段，目前在接地电弧，交流电弧、直流电弧、电弧炉、故障电弧神经网络模型等领域都广泛存在电弧仿真的应用。
然而，由于电弧的放电行为呈现非稳态瞬时特性，其中交流放电时，电弧特征参量还会表现出周期性，因此相关研究更多集中在交流电弧瞬态模型分析上，关于直流故障电弧的研究极少，相关的研究也较少涉及电弧热源在不同工况条件下最高温度的变化规律和电弧热源对于电极的传热规律。
针对直流故障电弧稳态时的传热特性，目前鲜有深入研究，对于直流故障电弧下电极材料的温度分布认识甚少。华侨大学科研人员采用磁流体动力学建立了直流故障电弧稳态传热数值模型，探讨了不同电路电压、电阻、电极间距下的电弧最高温度变化规律及电弧热源对于电极内部温度传热规律，并进行了实验验证。可为直流电弧性电气火灾标准的制定提供理论依据，也为探索耐电弧阻燃电极材料的研制提供参考。
图1 串联型直流故障电弧实验平台
图2 直流故障电弧的仿真模型
科研人员通过研究得到结论如下：
1）铜电极尖端四周的空气具有比碳电极电弧侧更多的高温区域。但由于热导率高，使得铜内部在直流电弧稳定燃烧时保留的热量低于碳电极，所以稳态时铜导体内部温度在与中点相同距离的位置低于碳电极。
2）直流故障电弧最高温度会随着电路电源电压的增大在一定范围内呈现线性增长，但随电压增加温升速率逐渐减小，随电极间距的增大呈现为分数指数形式的上升规律。同时，电阻等级增大会引起电路中电流的减小，进一步造成电路输入功率的减少，使得电弧最高温度呈反比例下降，该趋势会随电压增大而越发明显。
3）虽然电弧发生区域拥有较高的温度，但是电弧传导到两侧电极处会发生温度的骤降，铜电极的最高温度只有电弧最高温度的 17%~27%，碳电极最高温度只有电弧最高温度的41% ~51%，两电极靠近电弧处的导体温度下降速率会随着电弧温度的提高而提高，但随着电极长度的延长，电极导体的内部温度和温度下降速率会降低。此外，电极间距变化对于电极内部温度变化和温度下降的速率影响不明显。
4）直流故障电弧的最高温度并不恒在电极间距中心。随着电极间距的增大，故障电弧的最高温度会随着向铜电极方向偏离电极间距中点。电弧最高温度之所以偏离电极间距中心，可能与铜电极和碳电极在靠近电弧侧的形状不一致有关，由于铜电极靠近电弧侧是尖端而碳电极是平端，所以稳态时电弧高温的区域会向相对于平端更无阻碍的尖端扩散，并随着电弧区域的增大越发明显。
以上研究成果发表在2021年第13期《电工技术学报》，论文标题为“直流故障电弧稳态传热特性仿真研究”，作者为吴祺嵘、张认成 等。
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