火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)鐵磁體剩磁分布與變化規(guī)律研究

鄧 亮，陳兵兵

(中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

剩磁法是電氣火災(zāi)與雷擊火災(zāi)調(diào)查中十分重要的鑒定方法，其原理是當(dāng)線路發(fā)生短路或有雷電經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)在異常強(qiáng)的電流周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，處于磁場(chǎng)中的鐵磁體受到磁化作用，磁場(chǎng)逸去后鐵磁體仍保持一定的磁性[1-3]。當(dāng)調(diào)查人員懷疑火災(zāi)是由現(xiàn)場(chǎng)中導(dǎo)線或雷電引起而又無(wú)熔痕可作依據(jù)時(shí)，可以對(duì)導(dǎo)線及雷電周圍鐵磁體進(jìn)行剩磁檢測(cè)，依據(jù)剩磁的有無(wú)和大小來(lái)判定火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中是否出現(xiàn)過(guò)短路及雷電現(xiàn)象。

我國(guó)《電氣火災(zāi)原因技術(shù)鑒定方法》第2部分剩磁法(GB 16840.2—1997)對(duì)測(cè)量火場(chǎng)中導(dǎo)線及雷電周圍鐵磁體剩磁的步驟、方法、判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定。然而，調(diào)查實(shí)踐中剩磁法的使用頻率不高，一個(gè)重要原因就是火場(chǎng)中測(cè)量的剩磁值隨著部位的移動(dòng)出現(xiàn)突然增大或變小的變化，調(diào)查人員難以掌握其規(guī)律?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)也僅規(guī)范了剩磁值判定的大小范圍，并未指明其是如何分布變化的，因此，調(diào)查人員無(wú)法依此選取合適的測(cè)量點(diǎn)獲得最有效的剩磁值，進(jìn)而做出判定。本文通過(guò)模擬導(dǎo)線短路產(chǎn)生的磁場(chǎng)，研究了處于導(dǎo)線磁場(chǎng)中被磁化的鋼制鋸條剩磁的分布和變化規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)中如何準(zhǔn)確選取測(cè)量位置、獲取可靠的剩磁值提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

鋼制鋸條(300 mm×10.7 mm×1.0 mm)作為試驗(yàn)鐵磁體，電焊機(jī)與4 mm2銅導(dǎo)線模擬閉合回路，H-2000-2型特斯拉計(jì)(量程0～100 mT，精度為±2.5%，使用溫度為5～40 ℃)用于測(cè)量試驗(yàn)中鐵磁體的剩磁值。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將電焊機(jī)與銅導(dǎo)線相連，構(gòu)成閉合回路，調(diào)整電焊機(jī)電壓，改變通過(guò)導(dǎo)線的電流，使導(dǎo)線電流值達(dá)到300 A，通過(guò)短時(shí)開(kāi)關(guān)電焊機(jī)電源，模擬導(dǎo)線短路。在同一水平面上，將鋼制鋸條與導(dǎo)線分別垂直交叉、平行放置，然后在磁場(chǎng)中磁化，具體設(shè)計(jì)如下：

1.2.1 垂直交叉模型。在同一水平面上，將鋼制鋸條與銅導(dǎo)線垂直交叉放置，鋼制鋸條中心線恰好與銅導(dǎo)線重合(設(shè)定為O組)，然后使鋼制鋸條在磁場(chǎng)中磁化。選取新的一組鋼制鋸條，不改變鋼制鋸條與銅導(dǎo)線垂直交叉位置關(guān)系，分別向左、向右移動(dòng)鋼制鋸條中心線距銅導(dǎo)線各12 cm(a與a′組)、13 cm(b與b′組)、14 cm(c與c′組)、14.5 cm(d與d′組)、16 cm(e與e′組)，然后使鋼制鋸條在磁場(chǎng)中磁化，如圖1所示。

圖1 鋼制鋸條與銅導(dǎo)線垂直交叉放置

1.2.2 平行放置模型。在同一水平面上，分別將鋼制鋸條平行放置在距離導(dǎo)線上、下各1 cm(x與x′組)、2 cm(y與y′組)的位置，然后使鋼制鋸條在磁場(chǎng)中磁化，如圖2所示。

圖2 鋼制鋸條與銅導(dǎo)線平行放置

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)時(shí)，先調(diào)整電焊機(jī)電壓，使通過(guò)銅導(dǎo)線的電流值預(yù)先達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定的300 A。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)放置好鋼制鋸條后，接通電焊機(jī)電源，讓電流通過(guò)銅導(dǎo)線，4 s后斷開(kāi)電源，模擬鋼制鋸條在短路電流為300 A時(shí)，被導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化。磁化后靜置30 min，用特斯拉計(jì)測(cè)量鋼制鋸條平滑鋸身一側(cè)各點(diǎn)處的剩磁值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 垂直交叉位置鋼制鋸條的剩磁分布規(guī)律

除e與e′中鋼制鋸條剩磁值均為0 mT外，其余五組都測(cè)得剩磁值。以O(shè)組為例，鋼制鋸條剩磁從鋸條中心線與銅導(dǎo)線交叉處開(kāi)始，至右側(cè)1.2 cm與左側(cè)1.5 cm時(shí)，分別由0 mT達(dá)到剩磁最大值0.75 mT與-0.65 mT，然后逐步降低至0 mT。其中，以鋼制鋸條中心線為分界線，左右兩側(cè)鋸條剩磁大小及分布基本對(duì)稱，僅方向相反。說(shuō)明鋼制鋸條對(duì)稱放置時(shí)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)對(duì)兩側(cè)鋸條的磁化效果基本是一樣的，但受磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的影響，在電流為300 A時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)只能對(duì)以導(dǎo)線為圓心、半徑約為6.0 cm范圍內(nèi)的鐵磁體產(chǎn)生較為明顯的磁化。磁場(chǎng)逸去后鋼制鋸條仍保持一定磁性，且鋸條兩側(cè)剩磁大小及分布左右基本對(duì)稱，僅方向相反，如圖3所示。

圖3 鋼制鋸條中心線與銅導(dǎo)線

需要注意的是，依據(jù)畢奧-薩伐爾定律，穩(wěn)恒傳導(dǎo)電流在空間產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流成正比，與導(dǎo)線距離成反比，因此，在電流大小確定后，距離導(dǎo)線越近，產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)，鐵磁體被磁化后保留的剩磁也應(yīng)該越多。但試驗(yàn)表明，鋼制鋸條最大剩磁值并不在距離導(dǎo)線最近處，而是距離導(dǎo)線左右側(cè)1.0～1.5 cm處，顯然與磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)弱分布規(guī)律不一致。筆者認(rèn)為，這一現(xiàn)象與畢奧-薩伐爾定律并不矛盾，剩磁的分布和大小變化不僅與磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)，還與方向關(guān)系緊密。一方面，鋼制鋸條在磁場(chǎng)中被磁化，距離導(dǎo)線越近，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，磁化效果越強(qiáng)，剩磁也應(yīng)該越大；但另一方面，鋼制鋸條作為一個(gè)實(shí)體物，某一區(qū)域的剩磁還與此處鋸條內(nèi)部磁疇受若干不同方向外磁場(chǎng)作用后，磁矩最終趨于某一方向時(shí)的大小有關(guān)[4-6]。本試驗(yàn)中，放置在以導(dǎo)線為圓心的同心圓磁場(chǎng)的鋼制鋸條，越靠近同心圓磁場(chǎng)中心，磁場(chǎng)強(qiáng)度雖然增加，但方向的一致性變差，導(dǎo)致此處部分剩磁互相抵消，剩磁值反而降低，這也是剩磁曲線先升后降的原因。

然而，在實(shí)際火場(chǎng)中，鐵磁體并非總是恰好被導(dǎo)線對(duì)稱分割。在a與a′組中，當(dāng)向左移動(dòng)鋼制鋸條至右端距離導(dǎo)線3.0 cm時(shí)(a組)，右側(cè)鋼制鋸條剩磁最高值出現(xiàn)在右側(cè)端部，達(dá)到了1.1 mT，高于O組最高值。而左側(cè)剩磁值則從交叉點(diǎn)開(kāi)始，至左側(cè)1.5 cm處達(dá)到剩磁最大值-0.8 mT，然后逐步降低至0 mT。在a′組中，其剩磁分布規(guī)律與a組基本相同，但由于鋼制鋸條所處位置恰好與a組相反，剩磁曲線與a組呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，如圖4所示。

圖4 a與a′組剩磁分布規(guī)律

對(duì)比O組，當(dāng)左右移動(dòng)鋼制鋸條一端至導(dǎo)線附近時(shí)，由于導(dǎo)線兩側(cè)鋸條長(zhǎng)度出現(xiàn)明顯差距，兩側(cè)剩磁曲線也不再對(duì)稱，特別是較短一側(cè)鋸條的剩磁值，由于空間的限制，出現(xiàn)了剩磁疊加，至端部達(dá)到最高值的現(xiàn)象。說(shuō)明磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，如果鐵磁體長(zhǎng)度足夠，剩磁值依然呈現(xiàn)由交叉點(diǎn)開(kāi)始逐漸遞增，至最高值后又降低的規(guī)律。但如果鐵磁體長(zhǎng)度小于磁場(chǎng)磁化范圍時(shí)，與另一側(cè)反方向等量的剩磁并不會(huì)逃逸出去，而是被擠壓在這一側(cè)的鐵磁體內(nèi)，導(dǎo)致剩磁值疊加，出現(xiàn)了剩磁數(shù)值增高的現(xiàn)象。

在a與a′組和其余三組(b與b′、c與c′、d與d′)的對(duì)比中，以鋼制鋸條右側(cè)剩磁值為例，在a、b、c、d組中，由于鋼制鋸條右端距離導(dǎo)線較近，都出現(xiàn)了剩磁值疊加，端部剩磁值為最高值的現(xiàn)象。除d外，c組右側(cè)鋼制鋸條最短時(shí)(1 cm)，端部剩磁最高值最大，a組右側(cè)鋼制鋸條最長(zhǎng)時(shí)(3 cm)，端部剩磁最高值最小。在a′、b′、c′、d′組中，雖然剩磁最高值都出現(xiàn)在1.0 cm處，但剩磁最高值大小并不相同。a′組右側(cè)鋼制鋸條最短(12 cm)，但剩磁最高值最大，d′組右側(cè)鋼制鋸條最長(zhǎng)(14.5 cm)，但剩磁最高值最小。說(shuō)明鐵磁體長(zhǎng)度對(duì)剩磁最高值是有影響的，鐵磁體一端越短，剩磁值疊加效應(yīng)加劇，端部剩磁最高值越大。鐵磁體一端越長(zhǎng)，剩磁被稀釋效果越明顯，剩磁最高值越小，如圖5所示。

而d組剩磁值降低，筆者認(rèn)為依然與靠近同心圓磁場(chǎng)中心，磁場(chǎng)方向的一致性變差，部分剩磁互相抵消有關(guān)。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)通過(guò)電流為300 A時(shí)，以導(dǎo)線為圓心、半徑為1.0～1.5 cm的同心圓磁場(chǎng)中，對(duì)鋼制鋸條而言都會(huì)出現(xiàn)不同程度的剩磁抵消，剩磁值降低的情況。a′、b′、c′、d′中剩磁最高值都出現(xiàn)在1.0 cm處，之后至交叉點(diǎn)剩磁值逐漸下降，也印證了這種情況。

圖5 鋼制鋸條右側(cè)剩磁值分布比較

2.2 平行位置鋼制鋸條的剩磁分布規(guī)律

當(dāng)鋼制鋸條與導(dǎo)線在同一水平面上平行放置時(shí)，無(wú)論是x與x′，還是y與y′，鋼制鋸條剩磁值均為0 mT。聯(lián)系鋼制鋸條與導(dǎo)線垂直交叉放置試驗(yàn)中，e與e′組中剩磁值也為0 mT的情況，筆者認(rèn)為兩者存在內(nèi)在的聯(lián)系。在e與e′組剩磁試驗(yàn)中，準(zhǔn)確地說(shuō)鋼制鋸條雖然垂直于導(dǎo)線，但實(shí)際并未交叉，鋼制鋸條始終處于導(dǎo)線磁場(chǎng)的一側(cè)。而鋼制鋸條與導(dǎo)線平行放置時(shí)，鋼制鋸條也始終在導(dǎo)線磁場(chǎng)的一側(cè)，此時(shí)，鋼制鋸條的兩端在磁場(chǎng)中的磁化方向同時(shí)保持一致，未出現(xiàn)與其方向相反的其他磁場(chǎng)。而所有被磁化后能夠保持剩磁的鐵磁體中，被磁化時(shí)鐵磁體兩端始終受到兩個(gè)方向相反磁場(chǎng)的影響，當(dāng)磁場(chǎng)逸去后，鐵磁體的剩磁場(chǎng)也一定表現(xiàn)為兩端磁場(chǎng)方向相反，磁場(chǎng)強(qiáng)度總體相等的分布規(guī)律[7-8]。因此，如果鋼制鋸條始終在導(dǎo)線的同一側(cè)，鋸條每部分在磁場(chǎng)中的磁化方向相同，一旦導(dǎo)線磁場(chǎng)逸去，由于沒(méi)有反方向的磁場(chǎng)牽引，單極方向的磁場(chǎng)無(wú)法持續(xù)保持，剩磁將無(wú)法保留。這一試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)如果測(cè)量到靠近通電導(dǎo)線的某一鐵磁體剩磁值為零，并不能就此判定該導(dǎo)線未通過(guò)大電流，還要考慮該鐵磁體是否存在上述情況，否則只會(huì)貽害調(diào)查工作。

3 結(jié)論

3.1 鐵磁體與導(dǎo)線垂直交叉時(shí)，通過(guò)電流導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)一定范圍的鐵磁體產(chǎn)生磁化現(xiàn)象，鐵磁體兩側(cè)的剩磁強(qiáng)度總體相等，但方向相反。

3.2 越靠近同心圓磁場(chǎng)中心，磁場(chǎng)強(qiáng)度雖然增加，但方向的一致性變差，鐵磁體此處的部分剩磁互相抵消，剩磁值反而降低。此時(shí)，在鐵磁體足夠長(zhǎng)的情況下，鐵磁體剩磁呈現(xiàn)逐漸增高至最高值，再緩慢降低的分布規(guī)律。如果鐵磁體長(zhǎng)度小于磁場(chǎng)的磁化范圍，剩磁會(huì)逐漸增加，至端部達(dá)到最大值。

3.3 鐵磁體與導(dǎo)線垂直交叉時(shí)，鐵磁體一端越短，剩磁值疊加效果越明顯，剩磁最高值越大。鐵磁體一端越長(zhǎng)，剩磁被稀釋效果越明顯，剩磁最高值越小。

3.4 如果鐵磁體始終在導(dǎo)線的同一側(cè)，鐵磁體每部分在磁場(chǎng)中的磁化方向相同，單一方向的磁場(chǎng)無(wú)法持續(xù)保留，導(dǎo)致無(wú)剩磁殘留。