單股銅導線過電流故障痕跡形成規(guī)律研究

周廣英，李 陽

(1.武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000； 2.大慶市公安消防支隊，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

過電流故障是由于流經(jīng)導線的電流，超過了導線所能承受的額定電流值，導致導線線芯溫度升高。過電流故障導線，隨著電流值的升高，呈現(xiàn)出不同的痕跡特征[1-3]。小電流值過電流故障發(fā)生時，由于發(fā)熱速率較慢，導線溫度升高幅度不大，但會加速絕緣老化，引發(fā)后續(xù)的短路故障；隨著電流值的升高，發(fā)熱速率逐漸加快，導線線芯溫度持續(xù)升高，形成熾熱線芯，可引燃周圍絕大多數(shù)的可燃物[4-6]。火災事故調(diào)查中，對于導線過電流故障的認定，多是通過絕緣層的內(nèi)焦、松弛、脫離本體痕跡進行認定的[2]，但是由于絕緣層易受火災破壞而滅失，因此需要進一步了解各種過電流故障條件下，痕跡形成規(guī)律，為更加準確地發(fā)現(xiàn)和提取過電流故障痕跡，認定過電流故障引發(fā)火災提供依據(jù)。本文研究過電流故障導線痕跡形成規(guī)律，分析各種痕跡的金相組織特征，研究過電流故障痕跡的檢驗鑒定方法。

1 試驗部分

試驗材料為2.5 mm2聚氯乙烯單股銅導線；儀器設(shè)備有火災痕跡物證綜合實驗臺(自制)、XTL-340型體視顯微鏡、Canon Eos70D數(shù)碼單反相機(30幀每秒)、三腳架、Axio Observer.A1m型金相顯微鏡。試驗方法為：2.5 mm2單股銅導線的安全載流值Ie=20 A，截取12 cm長的導線，數(shù)碼單反照相機分別錄像記錄1.5,2,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7Ie導線過電流故障發(fā)生過程，逐幀分析發(fā)熱過程，每個電流值進行5組平行試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 過電流值低于4.5Ie時痕跡形成過程

銅導線發(fā)生4.5Ie過電流故障時，65 s導線線芯發(fā)熱，破壞絕緣內(nèi)層，5 min時線芯顏色以暗紅色為主，絕緣層出現(xiàn)內(nèi)焦、松弛、脫離本體痕跡，隨著過電流時間的延長，絕緣破壞加劇，發(fā)煙量逐漸增大，絕緣層炭化越來越嚴重，但導線始終不會熔斷，如圖1和圖2所示。

2.2 過電流值高于5Ie時痕跡形成過程

過電流值升至5Ie時，導線發(fā)煙量和炭化速度進一步加快，線芯由4.5Ie時的暗紅色變?yōu)榱咙S色，過電流持續(xù)時間達到2 min以上，在導線中部出現(xiàn)斷路電弧，出現(xiàn)明顯的火花噴濺，形成噴濺熔痕，如圖3所示。隨著過電流值繼續(xù)升高，發(fā)生斷路電弧的時間逐漸縮短，電弧越來越激烈，噴濺出的熔痕越來越多，當過電流值達到6Ie時，除了會產(chǎn)生噴濺熔痕以外，還會出現(xiàn)導線軟化后滴落熔痕，如圖4～6所示。

圖1 過電流4.5Ie(65 s)

圖2 過電流4.5Ie(5 min)

圖3 過電流5Ie(126 s)

圖4 過電流5.5Ie(70 s)

圖5 過電流6.5Ie(37 s)

2.3 過電流故障線芯熔化痕跡

分析不同電流值條件下，過電流導線發(fā)熱過程，可清楚的看到線芯熔化痕跡有三種：

圖6 過電流7Ie(29 s)

2.3.1 類似于火燒熔痕的端部熔斷痕

過電流導線一旦熔斷，在熔斷點處有與火燒熔痕類似的熔斷痕：熔痕與本體界限有明顯的過渡區(qū)，雖然有斷路電弧的參與，但是不會出現(xiàn)短路熔痕那么清晰的分界線；熔痕表面有明顯的絕緣層炭化殘留，呈暗紅色，表面有凹坑，隨著電流值的增大，炭化殘留減少，如圖7所示。經(jīng)金相分析發(fā)現(xiàn)：端部的熔斷痕呈現(xiàn)非常有特點的組織特征，晶粒以粗大的胞狀晶和樹枝晶組織為主，晶界粗大，樹枝晶呈現(xiàn)出一定的方向性，內(nèi)無明顯孔洞，有少量縮孔存在，熔痕區(qū)與本體區(qū)有明顯的分界線，如圖8所示。

圖7 5Ie導線端部熔痕表觀形貌12×

圖8 5Ie導線端部熔痕金相組織50×

2.3.2 導線中部出現(xiàn)玫瑰刺狀的結(jié)疤痕

電流值4.5Ie以下，導線中部不會出現(xiàn)玫瑰刺狀的結(jié)疤痕，電流值高于6.5Ie時，導線中部的結(jié)疤痕也會減少，只有在5～6Ie時，導線中部易出現(xiàn)結(jié)疤痕，結(jié)疤痕沒有非常規(guī)則的形狀，如圖9所示。結(jié)疤痕的金相組織以致密的樹枝晶為主，結(jié)晶區(qū)與本體界限明顯，樹枝晶方向性強，內(nèi)部幾乎沒有孔洞，如圖10所示。

圖9 6Ie導線結(jié)疤痕表觀形貌12×

圖10 6Ie導線結(jié)疤痕金相組織50×

2.3.3 導線斷點處出現(xiàn)滴落(噴濺)熔痕

過電流值4Ie以上，激烈的斷路電弧產(chǎn)生噴濺熔珠，同時在重力作用下，熔化的液態(tài)銅也會緩慢的凝結(jié)滴落，形成滴落熔珠，如圖11所示。對4～7Ie時的滴落(噴濺)熔珠的數(shù)量和形狀進行統(tǒng)計分析，得到：隨著過電流值的升高，滴落(噴濺)熔珠的數(shù)量越來越多；電流值較小時，熔珠以圓狀的噴濺熔珠為主，隨著電流值升高，不規(guī)則狀滴落熔珠顯著增多。過電流故障導線滴落(噴濺)熔珠金相組織多以樹枝晶為主，幾乎沒有氣孔，偶爾會出現(xiàn)縮孔，如圖12所示。相對于端部熔斷痕和中部玫瑰刺結(jié)疤痕來說，樹枝晶的枝晶臂更發(fā)達，方向性較強。隨著電流值的升高，樹枝晶的密集程度逐漸降低，有向胞狀晶過渡趨勢。

圖11 6.5Ie導線結(jié)疤痕表觀形貌12×

圖12 6.5Ie導線結(jié)疤痕金相組織50×

3 分析與討論

3.1 導線端部熔斷痕特征及形成規(guī)律

當過電流倍數(shù)小于5時，銅導線雖然處于過電流狀態(tài)，但導線發(fā)熱量不足以使銅導線發(fā)生熔斷，僅能破壞絕緣皮內(nèi)層，使絕緣皮內(nèi)層出現(xiàn)內(nèi)焦、松弛、滴落的現(xiàn)象并伴隨發(fā)煙，線芯呈暗紅色；導線自身溫度升高，散熱速率相對升高，導線溫度上升到一定值時，導線的放熱速率與散熱速率處于平衡狀態(tài)，導線溫度處于穩(wěn)定。隨著電流倍數(shù)的增加，當過電流倍數(shù)于5～7，導線的放熱速率始終大于導線的散熱速率，導線溫度持續(xù)上升，直至導線線芯溫度超過線芯的熔點，導線發(fā)生熔斷。隨電流倍數(shù)的增大，熔斷出現(xiàn)的時間越來越短；熔斷是導線點斷開，且電流流經(jīng)導線，具備線間放電產(chǎn)生電弧的條件，熔斷瞬間，可以清楚的看到斷路電弧。與短路故障發(fā)生的電弧相比，過電流故障熔斷時，產(chǎn)生的是斷路電弧，斷開后瞬間切斷電流流經(jīng)路徑，電弧能量相對較低，導線自身溫度較高，且斷路電弧出現(xiàn)意味著過電流故障的結(jié)束，持續(xù)放熱過程停止。斷路點處熔化的液體金屬，既受到電弧產(chǎn)生的高溫影響，也受過電流導線發(fā)熱影響。分析金相組織特征，過電流導線熔斷痕以樹枝晶為主，晶粒有明顯的方向性，熔化區(qū)與非熔化區(qū)有明顯的分界線，這說明過電流導線熔斷時，產(chǎn)生的斷路電弧對于組織的形成起到了決定性影響。根據(jù)金屬鑄造學原理，液體金屬凝固速度越快，越易形成致密樹枝晶，金屬凝固時的過熱度和過冷度共同影響著凝固速度。過電流熔斷時，相對于短路電弧，能量相對較低，電弧傳遞給液體金屬的能量少，液體金屬溫度較低，過熱度低，易形成致密的樹枝晶。

3.2 線間玫瑰刺狀結(jié)疤痕特征及形成規(guī)律

銅導線發(fā)生過電流故障時，有可能產(chǎn)生玫瑰刺狀結(jié)疤痕，但是需要過電流值在適當范圍。主要原因是：銅導線發(fā)生過電流故障時，流經(jīng)的電流大于其額定電流，電流值增大，導線升溫速度加快，達到銅導線熔斷的時間就會縮短。當電流值小于4Ie時，發(fā)熱速率小，熱量無法迅速聚集，整個導線無法達到線芯金屬熔點，不會形成液體金屬，不具備形成結(jié)疤痕的條件；當電流值大于6Ie時，導線發(fā)熱速率過快，迅速達到線芯金屬熔點，導致銅導線快速斷路，此過程中產(chǎn)生的表面液態(tài)銅沒有充足的時間聚集凝結(jié)，導線發(fā)熱已經(jīng)停止，液態(tài)銅會迅速凝固，無法產(chǎn)生玫瑰刺結(jié)疤痕。因此，過電流值在4.5～6Ie時，故障導線具備產(chǎn)生玫瑰刺狀結(jié)疤痕。5.5Ie時，導線既可以產(chǎn)生具有流動性較強的液體金屬，也具備充足的聚集凝結(jié)時間，因此產(chǎn)生結(jié)疤痕的數(shù)量較多。從金相組織分析，玫瑰刺狀結(jié)疤痕，以致密的樹枝晶為主，無明顯氣孔，主要是由于結(jié)疤痕形成時，液體的金屬緩慢聚集而成，氣體有充足的時間溢出，斷路發(fā)生后，因迅速失去加熱條件，接近熔點的高溫金屬，又會迅速冷卻，產(chǎn)生致密的樹枝晶。

3.3 致密金相組織特征形成原因分析

根據(jù)金屬學及鑄造學原理，液體金屬凝固速度越快，越易形成致密樹枝晶，金屬凝固時的過熱度和過冷度共同影響著凝固速度。過電流熔斷時，相對于短路電弧，能量相對較低，電弧傳遞給液體金屬的能量少，相同質(zhì)量的液體金屬溫度較低，過熱度低，易形成致密的樹枝晶。金相組織中，氣體首先要進入到液體金屬內(nèi)，分散的氣體要在液體金屬中流動匯集成大氣孔，金屬凝固后，大氣孔就會存留在熔痕內(nèi)部。由于過電流熔痕，液體金屬溫度低，流動性相對較差，卷吸氣體的能力較弱，進入到熔痕的氣體量較少；卷吸進入到液體金屬中的氣體，由于凝固速度快，沒有充足的匯集時間，不具備形成大氣孔的條件，偶爾會出現(xiàn)縮孔。

4 結(jié)論

通過試驗研究，可得如下結(jié)論：(1)過電流銅導線熔斷時，產(chǎn)生斷路電弧，形成噴濺熔珠和端部熔斷痕，部分過電流導線端部熔斷痕外觀上與火燒熔痕較為相似；(2)過電流值小于4Ie和大于7Ie時，均不利于玫瑰刺狀結(jié)疤痕的形成，5.5Ie時，結(jié)疤痕產(chǎn)生數(shù)量最多；(3)過電流導線端部熔斷痕、玫瑰刺狀結(jié)疤痕的金相組織均以樹枝狀晶粒為主，內(nèi)部很少存在孔洞，枝晶臂有明顯的方向性。

[1] 金河龍.火災痕跡物證與原因認定[M].長春：吉林科學技術(shù)出版社，2005.

[2] 公安部沈陽消防科學研究所.電氣火災痕跡物證技術(shù)鑒定方法 第5部分:電氣火災物證識別和提取方法:GB/T 16840.4—2008[S].北京:中國標準出版社,2008.

[3] 胡建國.火災物證技術(shù)鑒定[M].北京:中國人民公安大學出版社,2007:198-210.

[4] National Fire Protection Association.Guide for fire and explosion investigations:NFPA 921[S].2014 Edition:110-115.

[5] 趙艷紅.過負荷銅導線引燃特性的實驗研究[J].消防科學與技術(shù),2014,33(12):1469-1471.

[6] SCOTT A W,JOHN D L,RICHARD A B.Globules and beads:what do they indicate about small-diameter copper conductors that have been through a fire[J].Fire Technology,2015,51:1051-1070.

[7] 張金專,劉強,于春華.過負荷銅導線金相顯微特征分析[J].火災科學,2009,18(4):212-215.

[8] 張金專.過負荷時間和倍數(shù)對銅導線金相組織的影響[J].消防科學與技術(shù),2009,28(7):543-545.