抓住火災(zāi)的真兇
——過(guò)電流

供稿|魯旭

內(nèi)容導(dǎo)讀

過(guò)電流在日常生活中是一種比較常見(jiàn)的電氣故障形式，過(guò)電流的危害性主要體現(xiàn)在過(guò)電流會(huì)導(dǎo)致電氣線路整體發(fā)熱，當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)會(huì)引發(fā)線路絕緣層及周?chē)扇嘉?，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。本文建立了一種適合過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率的測(cè)量方法，并對(duì)方法的科學(xué)性和可行性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率測(cè)量方法可以在火災(zāi)事故調(diào)查中為調(diào)查人員判定火災(zāi)原因提供有效的認(rèn)定依據(jù)。

2023–01–17，某地一養(yǎng)豬場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)?；馂?zāi)造成養(yǎng)豬場(chǎng)豬舍過(guò)火，燒毀空氣能取暖設(shè)備及部分內(nèi)裝修，火災(zāi)直接財(cái)產(chǎn)損失為12 萬(wàn)元。經(jīng)火災(zāi)事故調(diào)查人員調(diào)查后認(rèn)定起火原因?yàn)閷?dǎo)線過(guò)電流導(dǎo)致，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

圖 1 豬舍火災(zāi)燒損情況：（a）電氣線路；（b）電氣控制柜

圖 2 銅導(dǎo)線金相組織：（a）原始導(dǎo)線；（b）過(guò)電流導(dǎo)線

表 1 不同過(guò)電流時(shí)間下銅導(dǎo)線表面銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

表 2 不同過(guò)電流時(shí)間試樣電阻率

圖 3 四線制（開(kāi)爾文接法）等效電路圖

圖 4 四線制（開(kāi)爾文接法）接線圖

圖 5 H2515 型直流電阻測(cè)試儀夾具：（a）實(shí)物圖；（b）示意圖

圖 6 不同過(guò)電流時(shí)間試樣電阻率均值散點(diǎn)圖

關(guān)于過(guò)電流痕跡物證的分析目前主要采用的是金相分析法。由于過(guò)電流銅導(dǎo)線的金相組織與火燒銅導(dǎo)線極為相似，所以在實(shí)際火災(zāi)事故調(diào)查中需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況綜合分析，往往會(huì)出現(xiàn)認(rèn)定依據(jù)不充分的情況。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過(guò)電流會(huì)導(dǎo)致銅導(dǎo)線整體發(fā)熱，利用金相顯微鏡對(duì)銅導(dǎo)線內(nèi)部金相組織進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)溫度的升高會(huì)導(dǎo)致銅導(dǎo)線內(nèi)部金相組織變成較大的等軸晶，如圖2 所示。

利用掃描電鏡和能譜儀對(duì)銅導(dǎo)線表面物質(zhì)成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)溫度升高會(huì)導(dǎo)致銅導(dǎo)線表面物質(zhì)成分發(fā)生變化，變化情況見(jiàn)表1。

金相組織和表面銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化都會(huì)導(dǎo)致銅導(dǎo)線電阻率發(fā)生改變。下面建立針對(duì)銅導(dǎo)線電阻率的測(cè)量方法，進(jìn)一步研究銅導(dǎo)線電阻率的具體變化情況。

電阻率測(cè)量裝置及測(cè)量原理

電阻率測(cè)量裝置

目前電阻率測(cè)量?jī)x器的類(lèi)型主要有直讀式和推導(dǎo)式兩種，兩種儀器的原理相同；區(qū)別在于直讀式儀器可以通過(guò)規(guī)定待測(cè)導(dǎo)體長(zhǎng)度直接得出其電阻率，推導(dǎo)式儀器則需要通過(guò)電阻率定義式將測(cè)得電阻換算成電阻率。二者測(cè)量精度相同，但直讀式儀器的價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于推導(dǎo)式儀器。因此，本研究選擇推導(dǎo)式儀器。

QJ57 型直流雙臂電橋和TH2515 型直流電阻測(cè)試儀均可以對(duì)金屬導(dǎo)線電阻率進(jìn)行測(cè)量，兩種儀器測(cè)量原理相同，且測(cè)量精度均符合要求[1?3]。對(duì)比分析，TH2515 型直流電阻測(cè)試儀具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）準(zhǔn)確性更好。QJ57 型直流雙臂電橋采用的是三線制接線方式，TH2515 型直流電阻測(cè)試儀采用的是四線制接線方式。三線制和四線制都可以在一定程度上消除引線電阻對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響，但是三線制要求引線電阻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橋臂電阻，且橋臂電阻的大小會(huì)直接影響到電阻測(cè)量的準(zhǔn)確性，而四線制對(duì)引線電阻沒(méi)有要求，測(cè)量準(zhǔn)確性更好[4]。

（2）操作簡(jiǎn)單，方便攜帶，適合在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)使用。QJ57 型直流雙臂電橋操作復(fù)雜，隨機(jī)誤差較大，儀器一體化程度較低，不方便攜帶。而TH2515型直流電阻測(cè)試儀操作簡(jiǎn)單，可重復(fù)多次測(cè)量，有效減小了隨機(jī)誤差，儀器一體化程度較高，方便攜帶。

綜上所述，選擇TH2515 型直流電阻測(cè)試儀。TH2515 型直流電阻測(cè)試儀由常州同惠電子股份有限公司制造，便攜且易操作，具有較高的測(cè)量精度，在“0~20 mΩ”檔位的測(cè)量精度可達(dá)0.01%，符合測(cè)量要求。在數(shù)據(jù)測(cè)量方面，提供了3 種測(cè)量模式，F(xiàn)AST 模式（快速測(cè)量，每秒讀取50 次）、MED 模式（中速測(cè)量，每秒讀取6 次）、SLOW 模式（慢速測(cè)量，每秒讀取2 次），其中SLOW 模式的測(cè)量精度最高。測(cè)得電阻后，通過(guò)相關(guān)物理公式將其換算成電阻率即可。

測(cè)量原理

TH2515 型直流電阻測(cè)試儀的基本原理就是根據(jù)歐姆定律對(duì)待測(cè)導(dǎo)線電阻進(jìn)行測(cè)量，其采用的接線方式是四線制。

四線制接線方式也叫開(kāi)爾文接法[5]。四線制的等效電路如圖3 所示。圖中r1、r2、r3和r4是引線電阻。向待測(cè)電阻Rt施加激勵(lì)電流I，測(cè)得電勢(shì)V3、V4，r3、r4接入高輸入阻抗電路，使得I3=0，I4=0，因此V4?V3等于電阻兩端電壓，電阻值Rt=（V4?V3）/I。對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都有一條激勵(lì)線和一條檢測(cè)線，二者嚴(yán)格分開(kāi)，各自構(gòu)成獨(dú)立回路；同時(shí)要求檢測(cè)線必須接到一個(gè)有極高輸入阻抗的測(cè)試回路上，使流過(guò)檢測(cè)線的電流極小。r1和r2在恒流源回路，不會(huì)引入誤差。r3和r4則在高輸入阻抗的儀器放大器的回路中，也不會(huì)帶來(lái)誤差。

四線制接線圖如圖4 所示，r1、r2、r3、r4代表引線電阻，其中r1和r4位于恒流電路，對(duì)測(cè)量電流不會(huì)產(chǎn)生影響；r2和r3位于運(yùn)算放大器所在電路，由運(yùn)算放大器虛斷特性可知電路中并沒(méi)有電流，所以r2和r3對(duì)測(cè)量電壓不會(huì)產(chǎn)生影響。因此待測(cè)電阻Rt兩端電壓V3=V1、V4=V2，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為Ad。根據(jù)上述分析可得：

由式（1）和式（2）可以看出，引線電阻對(duì)待測(cè)電阻的測(cè)量沒(méi)有影響。測(cè)得電阻后，根據(jù)歐姆定律進(jìn)行相關(guān)換算即可得出待測(cè)試樣電阻率。

TH2515 型直流電阻測(cè)試儀通過(guò)夾具實(shí)現(xiàn)四線制接線方式，進(jìn)而對(duì)待測(cè)導(dǎo)線電阻進(jìn)行測(cè)量，夾具如圖5（a）所示。夾具有4 個(gè)觸頭，分別由檢測(cè)線和激勵(lì)線引出。各接頭功能如圖5（b）中SENSE HI和SENSE LO 代表檢測(cè)線的兩端，DRIVE HI 和DRIVE LO 代表激勵(lì)線的兩端。

過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率測(cè)量方法的操作步驟

（1）選擇火場(chǎng)中疑似過(guò)電流導(dǎo)線痕跡，盡量避免選擇受火災(zāi)嚴(yán)重破壞的導(dǎo)線（在此之前導(dǎo)線未發(fā)生過(guò)電流故障），應(yīng)當(dāng)選擇仍保持導(dǎo)線基本形態(tài)的痕跡，截取待測(cè)導(dǎo)線長(zhǎng)度不小于15 cm。

（2）清除導(dǎo)線表面易剝落的殘留物，可以用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗。

（3）選擇相同型號(hào)未發(fā)生破壞的導(dǎo)線作為空白對(duì)照。

（4）選擇TH2515 型直流電阻測(cè)試儀的“0~20 mΩ”檔位進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度為L(zhǎng)（L取10 cm），測(cè)量前對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)熱（時(shí)間設(shè)定為30 min）和調(diào)零。

（5）選擇“SLOW”檔位進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，每秒讀取數(shù)據(jù)2 次，每次測(cè)量時(shí)間為10 s，可得20 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。

（6）求這20 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，將其作為待測(cè)試樣的電阻R。

（7）根據(jù)導(dǎo)線的具體型號(hào)確定導(dǎo)線的橫截面積S。

（8）根據(jù)導(dǎo)體電阻率的計(jì)算公式將電阻R換算成電阻率ρ。電阻率的計(jì)算公式如下：

式中：ρ為導(dǎo)體的電阻率，Ω·m；R為導(dǎo)體的電阻，Ω；S為導(dǎo)體的（視為圓柱體）橫截面積，m2；L為導(dǎo)體的長(zhǎng)度，m。

（9）將測(cè)得過(guò)電流導(dǎo)線電阻率與空白導(dǎo)線試樣電阻率對(duì)比，確定導(dǎo)線是否發(fā)生過(guò)電流故障。

方法可行性

試樣制備

為驗(yàn)證過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率測(cè)量方法的可行性，選取正泰BV2.5 型銅導(dǎo)線作為實(shí)驗(yàn)材料，模擬過(guò)電流故障發(fā)生條件制備過(guò)電流導(dǎo)線試樣，用過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率測(cè)量方法測(cè)量、計(jì)算并分析不同過(guò)電流條件導(dǎo)線電阻率變化情況。

（1）考慮BV2.5 型銅導(dǎo)線的額定電流為34 A，設(shè)置過(guò)電流值為2 倍額定電流，模擬日常生活中常見(jiàn)的過(guò)電流現(xiàn)象。

（2）設(shè)置電流值為68 A 條件下過(guò)電流時(shí)間分別為10、20、30 和60 min。將未發(fā)生過(guò)電流故障的原始導(dǎo)線作為空白對(duì)照組，每個(gè)過(guò)電流條件制備6 個(gè)試樣（對(duì)應(yīng)編號(hào)1#~6#）。采用控制變量法研究過(guò)電流時(shí)間對(duì)銅導(dǎo)線電阻率的影響。

試樣電阻率測(cè)量與分析

對(duì)電流值68 A 條件下的不同過(guò)電流時(shí)間銅導(dǎo)線試樣電阻率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2 可知，當(dāng)電流值設(shè)定為68 A 時(shí)，與未發(fā)生過(guò)電流故障的原始銅導(dǎo)線相比過(guò)電流銅導(dǎo)線試樣電阻率增大，且隨著過(guò)電流時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率增大。電阻率變化幅度在0.52%~3.22%之間。

對(duì)表2 中電阻率均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得如圖6 所示散點(diǎn)圖。

由散點(diǎn)圖可以看出，電流值為68 A 時(shí)，隨著過(guò)電流時(shí)間的增加，試樣電阻率呈增大趨勢(shì)，過(guò)電流時(shí)間與試樣電阻率之間近似存在一元線性關(guān)系。進(jìn)一步對(duì)電阻率均值進(jìn)行回歸分析，可得回歸方程：

相關(guān)系數(shù)R2可達(dá)0.999，回歸效果很好?；貧w方程表明在電流值為68 A 時(shí)，隨著過(guò)電流時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率均勻增大。

結(jié)論

本文初步建立了過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率測(cè)量方法，規(guī)定了導(dǎo)線過(guò)電流痕跡的提取、處理與測(cè)量方法。模擬過(guò)電流故障制備了不同過(guò)電流條件的銅導(dǎo)線試樣，應(yīng)用過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率測(cè)量方法對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)量與分析，驗(yàn)證了方法的可行性與科學(xué)性。在一起實(shí)際火災(zāi)案例中應(yīng)用過(guò)電流銅導(dǎo)線電阻率識(shí)別方法進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可見(jiàn)該方法在實(shí)際火災(zāi)事故調(diào)查中具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義和實(shí)用性。