随着分布式发电和直流配电网的发展,因绝缘劣化、接触不良等因素引起的直流电弧故障时有发生,因无过零点特征无法自然熄弧可能导致设备损毁或者引发火灾,研究直流电弧的电气与温度特性对于电弧故障的检测与保护具有重要意义。经光谱测试数据表明,在导线故障的直流空气电弧中存在铜元素,因此,基于平衡态等离子体理论新增了含铜蒸气介质的电导率～温度特性曲线。等离子体输运参数的计算采用Chapman-Enskog方法,该方法基于玻尔兹曼积分微分方程。通过Saha方程和Guldberg-Waage方程求解等离子体中各粒子成分随温度变化的情况。假设电子分布函数略偏离麦克斯韦分布函数,基于质量作用定律方程,结合Dalton分压定律方程、化学计量守恒方程和电荷守恒条件方程,使用牛顿拉夫逊迭代方法,求解平衡态等离子体的粒子组分。通过多项式拟合获取粒子作用势函数,将粒子组分参数代入碰撞积分函数求取热力学参数。将粒子分布函数利用Sonnie多项式展开成Chapman-Enskog线性方程,结合粒子组分和碰撞积分,从而求解粒子的输运参数。同时,建立直流电弧的MHD模型,基于有限元软件仿真分析了电弧稳定燃烧时的温度场分布和电弧电阻与电弧电流及电极间距的关系。同时,开展小电流空气直流电弧模拟实验,验证仿真模型的合理性。数据表明:相比纯空气介质,引入铜蒸气的仿真结果与实验数据更接近。这体现在,当电弧稳定燃烧时,二者电极的温度场分布基本一致,等离子体气体温度最高到6000K-7500K。但是,后者获得电弧电阻～电极间距的仿真数据与实验室数据最大偏差是2.283Ω,最大相对误差为13.45%,而前者最大偏差是8.891Ω,最大相对误差69.46%。电弧电阻～电极间距的仿真数据与光伏试验基地现场数据最大偏差是4.266Ω,最大相对误差为15.73%。可见,含铜蒸气介质的电弧仿真模型能更准确研究直流电弧的电导率特性。将计及铜蒸气介质的电弧MHD模型应用于光伏发电系统的直流电弧故障特性测试,发现在稳定燃烧时仿真得到的电极温度分布规律与实验数据具有良好的一致性,而且电弧电阻与温度场分布的仿真结果与实验数据也更接近。表明,采用计及铜蒸气的电弧模型能较好地反映电弧稳定燃烧时的电气特性和温度特性,不仅适合于较理想实验环境中的小电流直流电弧电阻研究,还能较好地应用于工程实际中光伏发电系统直流电弧电阻,为小电流直流电弧故障的检测与保护研究提供了理论基础。