過電流故障鋁導(dǎo)線熔痕部位與組織特征關(guān)聯(lián)性研究*

姜文宇，吳 堅(jiān)，孫 燁，李 陽(yáng)，何 穎

(1.中國(guó)人民警察大學(xué) 研究生二隊(duì)，河北 廊坊 065000；2.臺(tái)州市消防救援支隊(duì) 臺(tái)州灣新區(qū)大隊(duì) 浙江 臺(tái)州 318000；3.中國(guó)人民警察大學(xué) 物證鑒定中心，河北 廊坊 065000；4.中國(guó)人民警察大學(xué) 防火工程三隊(duì)，河北 廊坊 065000)

0 引言

按照《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》室內(nèi)線路應(yīng)采用銅線[1],但老舊建筑中仍在使用鋁導(dǎo)線。隨著用電負(fù)荷的增加，之前布設(shè)的鋁導(dǎo)線易發(fā)生過電流故障而引發(fā)火災(zāi)。Babrauskas指出，導(dǎo)線持續(xù)發(fā)生過電流故障可引燃絕大多數(shù)可燃物，且導(dǎo)線絕緣也會(huì)起火燃燒[2]。根據(jù)過電流故障發(fā)生規(guī)律，線芯發(fā)熱引起絕緣熱解，熱解產(chǎn)生的煙氣易被熔斷時(shí)的斷路電弧引燃，整根導(dǎo)線出現(xiàn)明火燃燒[3]。對(duì)此過程的分析可知，過電流導(dǎo)線熔痕中一部分是斷路電弧參與形成的電弧熔痕，多數(shù)是線芯發(fā)熱與后續(xù)明火燃燒共同作用形成的非電弧熔痕，其形成時(shí)的熱作用過程與火災(zāi)中高溫火燒形成的熔化痕跡較為相似[4]。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中，二者肉眼難以區(qū)分，因此，有必要根據(jù)熔痕形成部位細(xì)化熔痕分類，建立不同部位熔痕與組織特征的關(guān)聯(lián)，增加檢驗(yàn)鑒定鋁導(dǎo)線發(fā)生過電流故障的數(shù)據(jù)維度，以提高此類電氣火災(zāi)物證鑒定準(zhǔn)確性和可靠性。

目前關(guān)于過電流故障導(dǎo)線引發(fā)火災(zāi)的研究主要集中于過電流故障銅導(dǎo)線的引燃過程及痕跡特征上，而鋁導(dǎo)線主要是對(duì)其短路熔痕進(jìn)行研究。早在1978年，Ettling[5]研究了過電流故障銅鋁導(dǎo)線發(fā)熱、起火過程，不同于銅導(dǎo)線，過電流故障鋁導(dǎo)線呈現(xiàn)多次斷節(jié)的特征；2002年Babrauskas[2]發(fā)現(xiàn)，銅導(dǎo)線荷載3～7倍額定電流時(shí)，短時(shí)間內(nèi)熔斷引燃；2004年，Choi等[6]利用高速攝像機(jī)對(duì)無(wú)絕緣銅導(dǎo)線發(fā)生過電流故障時(shí)熔斷過程進(jìn)行了研究；2009年張金專[7]研究了通4倍以下額定電流時(shí)，過電流銅導(dǎo)線線芯金相組織變化；2017年劉偉[8]對(duì)鋁導(dǎo)線短路噴濺熔珠在高溫火燒環(huán)境中金相組織的變化進(jìn)行了研究；2019年王博等[9]研究了ZR-BV單芯銅線通2.5～6倍額定電流情況下，過電流銅導(dǎo)線電弧熔痕和非電弧熔痕的組織特征。綜上所述，過電流故障銅導(dǎo)線引發(fā)火災(zāi)的研究較為系統(tǒng)，但對(duì)過電流故障鋁導(dǎo)線的系統(tǒng)研究相對(duì)缺乏。

本文以2.5 mm2BLV鋁導(dǎo)線為研究對(duì)象，在1～7.5倍額定電流值之間，間隔12.5 A為1種故障工況，根據(jù)電弧熔斷、重力折斷的部位對(duì)鋁導(dǎo)線各部位熔痕的形成過程進(jìn)行研究，分析各部位熔痕的數(shù)量、分布、宏觀特征和金相組織特征，建立根據(jù)多部位熔痕特征綜合鑒別鋁導(dǎo)線發(fā)生過電流故障的技術(shù)方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器與材料

電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置(中國(guó)人民警察大學(xué)自主設(shè)計(jì))：通過控制電流大小制備過電流故障鋁導(dǎo)線；Leika SAPO+體視顯微鏡(德國(guó)徠卡公司制造)；Observer.A1m型金相顯微鏡(德國(guó)蔡司公司制造);Canon 70D型數(shù)碼照相機(jī)(日本佳能公司制造)；鋁導(dǎo)線：符合GB/T 5023.3—2008的BLV鋁導(dǎo)線(山東陽(yáng)谷華光線纜廠生產(chǎn))，規(guī)格見表1。

表1 導(dǎo)線規(guī)格參數(shù)Table 1 Specification parameters of conductor

1.2 試驗(yàn)方法

截取600 mm長(zhǎng)的鋁導(dǎo)線，兩端剝?nèi)?0 mm絕緣層，將導(dǎo)線兩端與鐵架臺(tái)接線柱相連，后連接到試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。2.5 mm2線徑的鋁導(dǎo)線額定電流為25 A，在1～7.5倍額定電流值之間，間隔12.5 A選取1組工況，共選擇14個(gè)電流，每組電流值進(jìn)行3次平行試驗(yàn)；用數(shù)碼照相機(jī)記錄鋁導(dǎo)線的發(fā)熱變形過程，每次試驗(yàn)以導(dǎo)線熔斷或者導(dǎo)線1 h內(nèi)不熔斷作為結(jié)束；截取過電流線芯上的典型熔痕在體視顯微鏡下拍攝，后分類制樣在金相顯微鏡下觀察。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 過電流故障鋁導(dǎo)線發(fā)熱過程

如圖2所示，2.5 mm2BLV鋁導(dǎo)線荷載150 A電流時(shí)：通電開始線芯隨即開始發(fā)熱軟化，10.41 s時(shí)絕緣層開始熱解發(fā)煙，線芯中段在14.03 s時(shí)彎拱變形、猛烈發(fā)煙，14.10 s線芯熔斷拉弧形成熔斷點(diǎn)，電弧引燃絕緣熱解氣體，絕緣層起火燃燒，同時(shí)線芯在重力作用下下落，14.39 s后火焰迅速沿絕緣層向兩端蔓延，14.93 s線芯折斷脫離接線柱。

圖2 150 A鋁導(dǎo)線過電流故障發(fā)生過程Fig.2 Occurrence process of overcurrent fault of aluminum conductor under 150 A

根據(jù)過電流故障鋁導(dǎo)線發(fā)熱情況不同，可將其分為4個(gè)典型部位：

A熔斷電弧作用區(qū)：焦耳熱量不斷積累直至線芯熔斷拉弧時(shí)，電弧作用的區(qū)域。

B重力折斷區(qū)：鋁導(dǎo)線斷路后，斷點(diǎn)兩端導(dǎo)線受重力作用做類鐘擺運(yùn)動(dòng)，在自身應(yīng)力作用下發(fā)生折斷，形成折斷痕跡。

C過火本體區(qū)：導(dǎo)線線芯發(fā)熱過程中，絕緣層熱解生成可燃煙氣，高溫電弧引燃比表面積較大的可燃煙氣引起絕緣層燃燒，有火焰作用部位為過火本體區(qū)域。

D未過火本體區(qū)：導(dǎo)線本體未受到絕緣層燃燒作用的為未過火本體區(qū)。

在14個(gè)過電流值的42組試驗(yàn)中，當(dāng)荷載75 A以下電流時(shí)，導(dǎo)線通電1 h未軟化彎拱，絕緣達(dá)到熱平衡狀態(tài)，導(dǎo)線未熔斷；當(dāng)導(dǎo)線荷載75 A及以上電流時(shí)導(dǎo)線發(fā)生熔斷和折斷，對(duì)發(fā)生熔斷的10種工況的熔斷、折斷情況進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

表2 斷點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 2 Breakpoint quantity statistics

2.2 過電流故障鋁導(dǎo)線熔斷時(shí)間分析

2.5 mm2鋁導(dǎo)線荷載75 A及以上電流時(shí)發(fā)生熔斷，熔斷時(shí)間如圖3所示。分析圖3中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)熔斷時(shí)間隨電流值的增加表現(xiàn)出規(guī)律性，故對(duì)在發(fā)生熔斷電流值條件下導(dǎo)線的熔斷時(shí)間進(jìn)行擬合，得到擬合公式(1)：

圖3 鋁導(dǎo)線過電流熔斷時(shí)間預(yù)測(cè)模型Fig.3 Prediction model for overcurrent fusing time of aluminum conductor

T=120.63-24.40×ln(X-72.89)(I≥72.89)

(1)

式中：T為導(dǎo)線熔斷所需時(shí)間，s；X為鋁導(dǎo)線過電流值，A。

擬合函數(shù)的R2=0.99，熔斷時(shí)間隨電流值升高呈對(duì)數(shù)遞減變化。式中，當(dāng)X→72.89時(shí)，T→+∞，即當(dāng)導(dǎo)線荷載72.89 A電流時(shí)，熔斷時(shí)間趨近于無(wú)窮，導(dǎo)線不發(fā)生熔斷；同時(shí)，根據(jù)對(duì)數(shù)函數(shù)的性質(zhì)，隨電流值的增加，熔斷時(shí)間的導(dǎo)數(shù)值減小，即電流升高，熔斷時(shí)間趨于穩(wěn)定。

此模型可用于推測(cè)2.5 mm2鋁導(dǎo)線在不同電流條件下的熔斷時(shí)間。熔斷時(shí)間受升溫速率影響，升溫速率由產(chǎn)熱和散熱共同決定，當(dāng)線芯溫度升至線芯熔點(diǎn)時(shí)導(dǎo)線熔斷。由公式P=UI可知，電壓一定，荷載電流值越高時(shí)，發(fā)熱功率越大。因此，電流值大于125 A時(shí)，發(fā)熱速率過快，散熱作用相較于產(chǎn)熱影響較小，電熱作用完全起主導(dǎo)作用，此時(shí)熔斷時(shí)間趨于平穩(wěn)。

為驗(yàn)證擬合公式所得臨界熔斷電流值范圍，在62.5～75 A間利用二分法增加測(cè)試點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 新增測(cè)試點(diǎn)熔斷情況Table 3 Fusing conditions of new-added test points

由表3可知，熔斷臨界熔斷電流出現(xiàn)在71.5～73 A之間，將新測(cè)試點(diǎn)電流值代入擬合公式驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得到預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值較為相符，故熔斷電流值應(yīng)處于[71.5,73)A區(qū)間內(nèi)。

2.3 不同熱作用區(qū)宏觀痕跡

過電流故障鋁導(dǎo)線熔痕的宏觀特征是認(rèn)定鋁導(dǎo)線發(fā)生過電流最直觀的依據(jù)。為便于對(duì)熔痕位置的理解，以150 A為例，各部位的熔痕位置關(guān)系如圖4所示。由于過電流故障鋁導(dǎo)線各區(qū)域發(fā)熱、受熱機(jī)制不同，金屬線芯不同位置經(jīng)歷不同熱過程，其宏觀特征、組織特征也有差異。對(duì)此就不同分區(qū)的導(dǎo)線痕跡特征進(jìn)行分類論述。

圖4 150 A鋁導(dǎo)線過電流痕跡宏觀特征Fig.4 Macroscopic characteristics of overcurrent marks of aluminum conductor under 150 A

在發(fā)生熔斷的10組電流值條件下的30組試驗(yàn)中，每組實(shí)驗(yàn)均較為穩(wěn)定地發(fā)生1次熔斷產(chǎn)生2個(gè)熔斷點(diǎn)和多次折斷，且折斷點(diǎn)痕跡特征較為穩(wěn)定。

A熔斷電弧作用區(qū)：30組試驗(yàn)共收集到60個(gè)線芯端部熔珠。導(dǎo)線受熱熔斷(鋁單質(zhì)熔點(diǎn)為1 220 K)，隨即發(fā)生電荷擊穿產(chǎn)生電弧，線芯端部熔斷瞬間溫度高于鋁的熔點(diǎn)，電弧產(chǎn)生的壓力可達(dá)2～3 atm[10]，電弧的高溫高壓作用于熔融態(tài)導(dǎo)線線端，同時(shí)鋁熔珠在凝固過程中首先在熔體表面形成氧化膜，融化的鋁穿透氧化鋁表層，使得熔斷點(diǎn)端部形貌多樣[3]，大致分為5類：圓珠狀、鈍頭狀、尖頭型、彎折狀、牽拉狀，如圖5所示。但熔斷電弧作用區(qū)在冷卻凝固過程中受液態(tài)熔珠表面張力的作用，表面較未熔化的折斷點(diǎn)圓滑。

圖5 電弧熔斷區(qū)典型宏觀痕跡Fig.5 Typical macroscopic marks of arc fusing zone

B重力折斷區(qū)：30組過電流故障試驗(yàn)共收集230個(gè)折斷痕跡，均為表面鋸齒狀的寸斷痕跡，如圖4中重力折斷痕跡所示。電熱作用使得導(dǎo)線彈性力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，脆性增加，于應(yīng)力集中部位折斷形成鋸齒狀痕跡。

C過火本體區(qū)：如圖4中過火本體區(qū)所示，經(jīng)歷過絕緣燃燒的金屬線芯表面附著有黑色的絕緣層燃燒殘留物。

D未過火本體區(qū)：區(qū)別于過火本體區(qū)，未被引燃的絕緣層包裹下的金屬線芯呈現(xiàn)金屬光澤。

此外，當(dāng)導(dǎo)線荷載150 A以上電流時(shí)，熔斷電弧能量高，線端的熔融態(tài)金屬在電弧壓力作用下產(chǎn)生噴濺熔珠。圖6為鋁導(dǎo)線荷載187.5 A電流時(shí)收集到的噴濺熔珠，導(dǎo)線通電6.79 s即在鐵架臺(tái)接線柱與導(dǎo)線連接處熔斷拉弧，產(chǎn)生噴濺熔珠，如圖6(a)所示，片狀熔痕于熔斷點(diǎn)的正下方收集(鋁導(dǎo)線與臺(tái)面垂直距離265 mm)，該熔珠體積大，攜帶能量高，飛行距離短，故著床時(shí)尚未凝固，形成長(zhǎng)為8.24 mm的薄片狀痕跡。如圖6(b)所示，雙球狀噴濺熔珠于距離熔斷點(diǎn)655.8 mm處收集，熔珠在飛行過程中氧化放熱，在空氣阻力和熔珠表面張力作用下，形成飛行阻力較小的球狀痕跡，在著床瞬間與承接物平面碰撞，形成雙球狀痕跡，雙球狀痕跡直徑總長(zhǎng)為2.42 mm。

圖6 噴濺熔珠宏觀形貌Fig.6 Macromorphologies of spray fusing beads

2.4 不同熱過程作用下典型組織特征

僅憑鋁導(dǎo)線熔化痕跡的宏觀特征難以準(zhǔn)確認(rèn)定過電流故障，需要借助金相分析的方法對(duì)其進(jìn)行輔助認(rèn)定。圖7中，以150 A為例介紹不同部位的組織特征。A熔斷電弧作用區(qū)：高溫電弧作用至熔斷點(diǎn)，線端整體融化，溫度遠(yuǎn)高于火場(chǎng)環(huán)境溫度，由于溫差大降溫速率快，組織再結(jié)晶后形成樹枝晶(Ⅰ)。熔體的小部分熱量經(jīng)熱輻射、熱對(duì)流散失，大部分熱量經(jīng)熱傳導(dǎo)形式向線芯本體傳遞，溫度由斷點(diǎn)向線芯本體遞減，故晶粒向斷點(diǎn)方向生長(zhǎng)，形成圖7中(Ⅱ)區(qū)的纖維狀晶粒。

圖7 150 A鋁導(dǎo)線過電流組織特征Fig.7 Overcurrent microstructure characteristics of aluminum conductor under 150 A

B重力折斷區(qū)：導(dǎo)線本體在重力作用下下擺發(fā)生折斷沒有引起線芯內(nèi)能變化，故折斷痕跡的組織特征與本體相一致。

C過火本體區(qū)：導(dǎo)線本體受電熱作用軟化但未發(fā)生熔化，單質(zhì)鋁達(dá)到623 K時(shí)開始再結(jié)晶，線芯升溫過程中，線芯本體組織發(fā)生晶核的合并長(zhǎng)大，最終形成粗大的塊狀晶[11]；圖7中，過火本體區(qū)上下邊緣有細(xì)小的等軸晶，這是由于絕緣層燃燒,熱量反饋于金屬線芯，使線芯表層金屬熔化后重結(jié)晶，且燃燒作用時(shí)間長(zhǎng)，冷卻速度慢，晶體生長(zhǎng)為細(xì)小的等軸晶。

D未過火本體區(qū)：區(qū)別于過火本體區(qū)，金屬線芯外層的絕緣層未發(fā)生燃燒，線芯組織邊緣未見等軸晶。

噴濺熔珠在飛行過程中與空氣充分對(duì)流換熱，熔珠質(zhì)量小降溫速率快，組織為狹長(zhǎng)的樹枝晶和纖維晶，在飛行過程中卷吸入大量空氣，故組織內(nèi)部存在大氣孔。

3 結(jié)論

1)將過電流導(dǎo)線劃分為電弧作用熔斷區(qū)、重力折斷區(qū)、過火本體區(qū)、未過火本體區(qū)、噴濺熔珠等5個(gè)部位，建立發(fā)熱燃燒過程—痕跡宏觀形貌—組織特征的關(guān)聯(lián)，增加識(shí)別此類故障的證據(jù)維度。

2)根據(jù)導(dǎo)線線芯熔斷時(shí)間、熔斷前焦耳產(chǎn)熱量的變化規(guī)律，建立熔斷時(shí)間預(yù)測(cè)模型，由該模型得到2.5 mm2鋁導(dǎo)線發(fā)生熔斷的臨界電流值為72.89 A，在未熔斷區(qū)間內(nèi)增加測(cè)試點(diǎn)驗(yàn)證擬合公式，得到臨界熔斷電流值應(yīng)位于[71.5,73)A區(qū)間內(nèi)，表明預(yù)測(cè)模型可較準(zhǔn)確地反映實(shí)際工況。

3)相較于火災(zāi)中高溫火燒形成的熔化痕跡，鋁導(dǎo)線過電流痕跡會(huì)出現(xiàn)典型斷節(jié)現(xiàn)象及鋸齒狀寸斷痕跡，本體區(qū)以粗大塊狀晶為主，過火本體區(qū)邊緣處有細(xì)小等軸晶，此為區(qū)分過電流本體組織與火燒熔化痕跡的參考依據(jù)。