弱電短路線材涂層對(duì)熔痕形成的影響分析

方仕童，余圣輝（中山大學(xué)，廣州 510006）

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弱電短路線材涂層對(duì)熔痕形成的影響分析

方仕童，余圣輝
（中山大學(xué)，廣州 510006）

摘 要：為了定量研究弱電流條件下電氣故障的能量變化規(guī)律，本文所涉及的實(shí)驗(yàn)選擇不同線材，分別經(jīng)過加熱、通電處理、不處理等實(shí)驗(yàn)過程，制備短路所形成的熔痕，并統(tǒng)計(jì)不同熔痕線徑比。結(jié)合金屬氧化層理論、晶體生長熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，分析不同的線材表面鍍層對(duì)短路熔痕線徑比的影響，探究弱電流引起短路造成線材變化的本質(zhì)，進(jìn)而揭示弱電流短路過程中的能量積聚規(guī)律。

關(guān)鍵詞：弱電流；電氣短路；鍍層；線徑比

1　前言

隨著智能電氣的普及，弱電流在生產(chǎn)生活有了廣泛的應(yīng)用，強(qiáng)電流是用作一種動(dòng)力能源，弱電流用于信息傳遞，其傳輸分為有線和無線兩種。相比于強(qiáng)電流，弱電流更加隱蔽，人們往往忽視身邊弱小電流的危害。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，弱電也滲透到了強(qiáng)電領(lǐng)域，如電力電子器件、無線遙控等。隨之而來的弱電流故障隱患也不可避免，每年因此造成巨大損失。通常弱電流存在于傳統(tǒng)家用電氣的待機(jī)狀態(tài)和現(xiàn)代智能電器工作狀態(tài)。

2　實(shí)驗(yàn)方案

為了探究弱電流短路的形成機(jī)理和短路熔痕特性，實(shí)驗(yàn)?zāi)M在控制變量條件下弱電流短路的事故現(xiàn)場(chǎng)，制備弱電流條件下的短路熔痕。搭建制備一次短路熔痕的實(shí)驗(yàn)裝置，選擇筆記本電腦，汽車電池等常見弱電流工況做實(shí)驗(yàn)依據(jù)，輸出20v、15v恒壓直流電，電流上限為1A。選擇表面無鍍層、表面鍍錫、鍍鋁、鍍鎂、含鐵的USB線材，經(jīng)千分尺測(cè)量不同線材的平均直徑在0.200mm至0.220mm之間，每組線材分別包括不處理，通電1A電流5小時(shí)，和自然老化無鍍層USB線。依次取單股線材，制備短路熔痕，重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，并對(duì)應(yīng)編號(hào)。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1形狀分析

通過視頻顯微鏡對(duì)熔痕進(jìn)行宏觀分析，結(jié)果表明熔痕有ABCD4類：

其中A類為偏置的球缺式，在表面無鍍層、鍍錫的線材通電或加熱處理后的線材中，以A類熔痕為主，且A類熔痕出現(xiàn)明顯的氧化膜破裂痕跡。B類為球式，在含鐵的線材中，正負(fù)極都主要呈現(xiàn)這種形狀，表明氧化膜覆蓋完整，部分熔痕不圓潤，呈現(xiàn)多面體形狀。C類為柱狀無明顯變形式，在無鍍層自然老化線材與表面鍍鋁的線材中，多呈現(xiàn)C模型，該模型熔痕端與導(dǎo)線分界過度區(qū)長，熔痕沿導(dǎo)線，呈現(xiàn)與導(dǎo)線形狀相同的圓柱形。前三類出現(xiàn)在20v恒壓源短路熔痕中。D類為球串式，出現(xiàn)在15v恒壓源短路實(shí)驗(yàn)中，熔痕是多個(gè)小球串在一起形成的，線材熔痕區(qū)最長。

3.2實(shí)驗(yàn)線徑比分析

經(jīng)過試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)線材表面金屬氧化物熔點(diǎn)比純金屬高，表一每組線材，氧化處理后短路熔痕線徑比會(huì)比未處理大。純金屬中，鍍層為鐵的線材線徑比最大，且其余線材線徑比與鍍層金屬熔點(diǎn)成正比關(guān)系。表面氧化處理后，線徑比的變化與金屬氧化物熔點(diǎn)之間不符合上述關(guān)系。

動(dòng)力學(xué)分析：Pilling和Bedworth最先關(guān)注氧化膜的完整性和致密性，以PBR作為氧化膜的致密性判據(jù)，PBR表示金屬與其氧化物的體積比值。

金屬氧化時(shí)，PBR＜1，氧化物不能完全覆蓋金屬表面，稱為開豁性金屬，此時(shí)氧化膜不具保護(hù)性。因此以MgO作為表面保護(hù)的氧化膜，熔痕生長受到的約束應(yīng)力最小。PBR數(shù)值還會(huì)影響到氧化膜生長的速度。實(shí)驗(yàn)線材在80℃的加熱處理和通電處理，溫度都比較低，氧化膜在這樣條件下形成，可以應(yīng)用金屬氧化膜的低溫生長規(guī)律。

當(dāng)PBR＜1時(shí)，氧化膜生長滿足直線速度定律，一定溫度下，氧化速度與膜厚度無關(guān)，氧化膜厚度與氧化時(shí)間成正比，適用于鎂的氧化；當(dāng)PBR接近1時(shí)或不超過15%，氧化膜生長滿足拋物線定律，給定條件下，由于氧化膜能夠覆蓋整個(gè)熔痕表面，具有保護(hù)作用，進(jìn)一步氧化，反應(yīng)物需要穿過膜來擴(kuò)散傳質(zhì)，導(dǎo)致膜生長速度與膜厚度成反比，該定律適用于純鐵、銅和鎳。

熱力學(xué)分析：熱力學(xué)理論目前有很多，以Wagner拋物線氧化理論為代表，主要解釋金屬氧化的動(dòng)力和提出氧化膜的生長模型。Wagner拋物線氧化理論適用于表面已經(jīng)生成一層致密氧化膜的金屬高溫氧化，即對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)中短路過程，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用的線材已經(jīng)氧化處理，導(dǎo)線表面有致密氧化膜，且此時(shí)溫度超過一千度。金屬氧化時(shí)的自由能變化和氧化膜中成分的濃度梯度是高溫氧化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。

過冷度與再結(jié)晶理論：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度下不能結(jié)晶，而必須在一定過冷溫度下才能進(jìn)行。而根據(jù)熱力學(xué)定律，體系狀態(tài)穩(wěn)定性由自由能高低判斷。晶體自發(fā)地從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗨栩?qū)動(dòng)力便是兩種狀態(tài)的自由能之差。將熔體溫度T低于結(jié)晶理論溫度Tm的差值稱為過冷度。在熔體生長系統(tǒng)里，熔點(diǎn)溫度Tm代表熔體與晶體兩相熱力學(xué)平衡。熔體生長驅(qū)動(dòng)力可以用以下公式表示：

lm為單原子熔化潛熱，ΔT = Tm - T為熔體的過冷度，Tm為熔點(diǎn)，Ωs為單原子體積。

3.3熔痕體積分析

對(duì)于模式B采用球的體積公式V=4/3πR^3；C模型采用圓柱體積公式V=πLR^2，L為熔痕在沿線方向的長度。D模型就可以看作多個(gè)B模型的加和，本文將具體介紹前三種。已知線徑比w=W/Φ，即熔痕寬度與線材直徑之比，在計(jì)算中，W近似為熔痕直徑，所以短路線材半徑r一定時(shí)，熔痕半徑R=wr也一定。

4　結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)弱電流條件下的短路，時(shí)間非常短，在示波器下都難以記錄，而接入的檢測(cè)設(shè)備又會(huì)影響電流大小。另一方面，短路的線材無法用常規(guī)的歐姆表測(cè)量，因此在計(jì)算能量時(shí)沒有采用Q=∫I2 Rdt，為了更加準(zhǔn)確的計(jì)算短路的能量，今后將要通過這種直接積分法來計(jì)算能量。

參考文獻(xiàn)：

［1］李鐵藩.金屬高溫氧化和熱腐蝕［J］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003（04）.

［2］劉 娟 等.AgGaS2晶體生長過程中的過冷度研究［J］.2004（02）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.159

基金項(xiàng)目：2013年公安部消防局科研計(jì)劃（2013XFCX13），廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（S2013010013225）