火烧环境中铜缆线燃烧痕迹宏微观特征_周楠.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02211-08科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-24;修订日期:2022-11-14基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目(LGZD202005);痕迹科学与技术公安部重点实验室开放课题(2020FMKFKT05);公安部技术研究计划(2019JSYJC10);江苏省“333 高层次人才培养工程”第一作者:周楠(1986)，男，汉族，安徽淮南人，博士，副教授。研究方向:爆炸、火灾及其防护。E-mail:nudge163 com。引用格式:周楠，蒋敬，樊武龙，等 火烧环境中铜缆线燃烧痕迹宏微观特征 J 科学技术与工程，2023，23(5):2211-2218Zhou Nan，Jiang Jing，Fan Wulong，et al Macro and micro characteristics of burning traces of copper cable in fire environmentJ ScienceTechnology and Engineering，2023，23(5):2211-2218火烧环境中铜缆线燃烧痕迹宏微观特征周楠1，2，3，4，蒋敬1，樊武龙2，方雨4，陶秋辰1(1 南京森林警察学院刑事科学技术学院，南京 210023;2 公安部物证鉴定中心，北京 100038;3 南京理工大学化工学院，南京 210094;4 安徽弘雷金属复合材料科技有限公司，宣城 242000)摘要为探究涉铜缆线电气火灾的起火原因，通过设计并开展燃烧实验制备铜缆线燃烧试样，综合采用体视显微镜、扫描电镜对试样燃烧痕迹的宏、微观形态特征进行观察分析，讨论线缆规格尺寸、有无绝缘层以及不同燃烧温度对燃烧痕迹宏观形态和微观组织特征的影响。研究结果表明:对于相同规格的铜缆线，绝缘层材料的存在提高了缆线燃烧温度的极值，但二者的熔断温度相差不大，同时，也降低了缆线燃烧后熔端的集束性;随着缆线截面尺寸的增加，其燃烧过程中达到的温度极值也不断提高，不同规格铜缆线的熔断温度总体上与其截面尺寸成正比;铜缆线在高温作用下易形成熔珠，其直径通常为铜线线径的1 3 倍，裸铜缆线形成的熔珠表面较光滑，具有金属光泽，而含绝缘层铜缆线形成的熔珠表面较粗糙，附着聚氯乙烯残留物。研究结果可为铜缆线在火场环境中燃烧痕迹的分析及起火原因的判别提供依据。关键词火灾;铜缆线;燃烧痕迹;微观形貌中图法分类号X932;文献标志码AMacro and Micro Characteristics of Burning Traces ofCopper Cable in Fire EnvironmentZHOU Nan1，2，3，4，JIANG Jing1，FAN Wu-long2，FANG Yu4，TAO Qiu-chen1(1 Department of Criminal Science and Technology，Nanjing Forest Police College，Nanjing 210023，China;2 Institute of Forensic Science Ministry of Public Security of PC，Beijing 100038，China;3 School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China;4 Anhui Honlly Clad Metal Materials Technology Co，Ltd，Xuancheng 242000，China)Abstract In order to explore the cause of the electrical fire involving copper cables，the burning samples of copper cables wereprepared by combustion experiment Stereo microscope and scanning electron microscope were used to observe the macroscopic and mi-croscopic morphological characteristics of the burning traces The influences of cables size，insulating layer and burning temperature onmacro-morphology and micro-structural characteristics of burning traces were discussed The results show that the existence of the PVCinsulation layer increases the extreme value of the cables burning temperature，but has little effect on the fusing temperature，mean-while，the existence of the insulation layer also reduces the clustering of the fused end of the cable after burning With the increase ofthe cable size，the temperature extreme value also continues to increase during the combustion process，and the fusing temperature ofcopper cables is generally proportional to their cross-sectional size The copper cable is easy to form molten beads under the action ofhigh temperature，and its diameter is usually 1 3 times of the diameter of the copper wire The surface of the bead formed by the barecopper cable is smoother and has metallic luster，while the surface of the bead formed by the copper cable with the insulation layer isrougher and adheres to the PVC residue This research can provide a basis for the analysis of the burning traces of copper cables in thefire environment and the identification of the cause of the fire Keywords fire;copper cable;burning trace;micro morphology线缆作为重要的传输介质已被广泛应用于民用建筑、工业厂房、核电站、航空航天等领域。其中，铜因其良好的导电性，被用作电力、通信等领域中的常用线缆，在生活中起着重要的作用，现代生活工业化和科技化的快速发展也带来了铜导线应用的快速增长。近年来，由于生产、生活用电而导致的电气火灾呈多发趋势，对人身安全和社会安定带来了严重的影响和破坏。此类火灾有意外也有投稿网址:www stae com cn人为案件，现场多见线缆燃烧痕迹，为准确判别起火原 因，则 需 对 火 灾 现 场 进 行 缜 密 的 勘 查 与分析1-3。导线熔痕分析是查找火灾事故原因的重要方法之一。目前，关于电气火灾的研究主要集中在火灾现场宏观燃烧痕迹分析、易磁化金属材料的剩磁检测以及采用金相分析和扫描电镜分析等方法对金属材料微观组织结构形态的研究，在此基础上，建立了一次短路熔痕、二次短路熔痕、火烧熔痕、过电流熔痕和接插件及线路接头熔痕等研究方法，为起火原因的判定提供了依据4-5。Wright 等6 综合比较了单芯和多股铜导线在过电流故障中形成熔融痕迹宏观特征的异同;Fujita 等7 针对航空航天器中的缆线在微重力环境下的绝缘层燃烧特征开展了试验研究;徐娜等8 通过开展模拟试验制备了铜导线火烧熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕，并对其微观形貌特征进行了比较分析;王博等9 采用高速摄影和金相分析法对单芯铜线的过电流故障开展了研究，分析了过电流导线电弧熔化痕迹的微观组织特征;姚大伟等10 采用金相分析、扫描电镜分析、力学和电性能测试等技术方法研究了 4 种电缆常用软铜线的微观组织和力学、电性能;杨文兵等11 通过开展模拟实验对火前短路熔痕和火后短路熔痕间的形态差异进行了研究，分析了熔痕特征与环境特征间的关系，为鉴定提供了依据;刘宝升等12 基于 Onderdonk 算法建立了铜包铝接地线缆熔断电流的理论计算方法，并对铜与铜包铝接地线缆短路熔断特性开展了试验研究;吴冰冰等13 针对某重型汽车空调散热器风扇电机烧毁事故，综合采用金相分析和扫描电镜对电机铜线的宏、微观形态开展了研究，并利用模拟实验再现了烧毁过程。因此，在火灾现场调查中，准确发现、提取导线类痕迹物证，对于火灾原因的判定具有重要意义。通过文献调研不难发现，到目前为止，关于电气火灾的研究主要集中于城市电气火灾的起火原因分析、火灾痕迹物证技术及其鉴定方法研究等方面14-15。现重点关注户外火灾，以常见的铜缆线为研究对象，通过设计并开展燃烧实验制备铜缆线燃烧试样，综合采用体视显微镜、扫描电镜对燃烧痕迹的宏、微观形貌特征进行观察分析，讨论线缆规格尺寸、有无绝缘层和燃烧温度等因素对燃烧痕迹特征的影响，为此类火灾起火原因的分析提供判断依据。此部分研究工作还涉及燃烧学、材料学、金属微观组织结构学和痕迹检验与鉴定等学科，以期对促进多学科的交叉与应用提供重要的理论支撑。1燃烧实验为研究不同类型铜缆线在火烧环境中的宏/微观痕迹特征，讨论绝缘层有无、燃烧温度等对燃烧痕迹特征的影响，设计并开展铜缆线燃烧实验。1.1实验材料实验选用不同规格的低压(1 kV)铜缆线，分为裸缆线和包覆聚氯乙烯绝缘层缆线(交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜芯电力电缆)，二者具有相同的规格尺寸，其截面积分别为 10、25 和 50 mm2，具体规格尺寸见表 1。表 1不同规格铜缆线Table 1Copper cables with different specifications序号类型尺寸/mm2缩写1含绝缘层25JY-L1-252不含绝缘层10L-L1-103不含绝缘层25L-L1-254不含绝缘层50L-L1-501.2实验开展铜的熔点约为 1 083.4，若要将其燃烧断裂需足够高的温度，且持续作用一定时间。在前期预实验的基础上，针对不同规格的铜缆线，利用高温氧气焊枪作为燃烧源，模拟火场环境;线缆截取适当长度(约 40 cm)置于槽型支架上。通过改变气体组分比例以及与缆线间的距离来控制作用区域温度的变化，进而制备不同燃烧温度下的铜缆线燃烧残留物，同时采用接触式热电偶和便携式红外测温仪对中心作用区域的温度值进行测量，获得温度随时间变化曲线。图 1 给出了燃烧实验典型过程。可以看出，由于铜的熔点较高，其在燃烧过程中发生了明显的焰色反应。图 1典型实验过程Fig.1