过电流故障诱发铜导线喷溅熔珠的特征_张博.pdf

收稿日期：作者简介：张博（），女，北京人，初级专业技术职务。过电流故障诱发铜导线喷溅熔珠的特征张 博北京市石景山区消防救援支队，北京 摘 要：过电流故障是一种常发电气故障，具有很高的火灾危险性。利用电气火灾故障模拟及痕迹制备装置制备不同过电流值故障下单芯铜导线熔断产生的喷溅熔珠，借助金相分析技术分析讨论了电流值对熔珠组织特征的影响。结果显示：电流值的升高会使喷溅熔珠产生的数量大致呈现下降趋势，电流值为 时产生的喷溅熔珠平均数量最多，为 个。根据金相组织特征形貌的不同，喷溅熔珠金相组织可分为 类：树枝晶规则孔洞，树枝晶不规则孔洞，树枝晶无孔洞，等轴晶规则孔洞，等轴晶不规则孔洞，等轴晶无孔洞，混合晶规则孔洞，混合晶不规则孔洞，混合晶无孔洞。在所有喷溅熔珠中，树枝晶不规则孔洞金相组织出现的次数最多。关键词：电气火灾；单芯铜导线；过电流故障；喷溅熔珠；金相组织中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）引言随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，人们对电的使用越来越频繁，电气火灾也越来越多。据统计，年我国发生电气火灾 万起，导致 人死亡，直接经济损失约 亿元。导线过电流是引发火灾最常见的故障之一。过电流故障是指由于电气线路内部通过的电流超过其额定载流量而引起的故障。过电流故障发生后，随着导线内电流值的升高，导线依次呈现线芯发热、变红、熔断等状态。导线过电流断路过程中会产生断路电弧、喷溅熔珠。由于过电流喷溅熔珠产生过程中导线受力方式与短路熔珠的形成过程存在差异，过电流喷溅熔珠与短路喷溅熔珠也存在较大差异。通过鉴定火灾现场导线熔珠是认定火灾原因的重要方法，了解导线过电流喷溅熔珠的特征具有重要意义。国内关于铜导线熔珠的研究主要集中在线端短路熔珠上。王希庆等为宏观法、金相法、程序分析法提出了关于铜导线短路线端熔珠的标准，是当前检验鉴定铜导线短路线端熔珠的主要依据；王书运等对火灾中铜导线火烧熔珠进行了显微结构分析；张金专等对不同受热温度条件下一次短路熔珠显微特征进行了分析；曾庆松比对了铜导线短路熔珠和焊接接头的微观结构；杨继光分析了不同加热时间下铜导线二次短路熔珠的微观形貌；王芸等研究了二次短路喷溅熔珠的密度特征。以上成果对短路熔痕的研究作出了贡献，但目前有关喷溅熔珠的研究很少，尤其是铜导线过电流产生的喷溅熔珠。查阅国外相关资料，目前只有 版在 中提出铜导线通过大电流时会使线路温度达到其熔点，此时线路会产生断路电弧，使导线断电，喷溅出电火花，产生喷溅熔珠。综上所述，目前国内外对过电流喷溅熔珠的研究相对较少。本文防火工程研究模拟单芯铜导线在不同电流值时的过电流故障，采集产生的喷溅熔珠，并利用金相法对产生熔珠的金相组织进行分类识别，为过电流故障认定提供依据。试验方法 试验耗材铜导线选用 单芯铜导线（正泰电线电缆），其绝缘层材料为。浸蚀剂为氯化铁盐酸水溶液（氯化铁、盐酸、水）。其他材料还有自凝牙托粉，自凝牙托水，无水乙醇，、砂纸。仪器设备电气火灾故障模拟及痕迹制备装置（中国人民警察大学自主设计），用以制备单芯铜导线通过不同电流值条件下喷溅出的熔珠试样。型数码照相机，用以记录试样制备过程，统计每次试验中产生的喷溅熔珠数量。型金相试样抛磨机，转速 ，用以打磨金相试样。型金相显微镜（德国蔡司公司制造），用于观察过电流电弧熔断痕迹横截面的金相组织。优利德 数字钳形电流表，用于测量试验过程中铜导线发生故障时通过的电流值。样品制备 将铜导线截取为若干长度为 的小段，剥去导线两端约 的绝缘层，将导线连接于试验台。根据查阅的相关文献，单芯铜导线的额定电流值为 ，且其通过约 倍额定电流时开始出现熔断现象，故设定试验输出电压值为 ，使用钳形电流表调节电流值，使通过导线的电流值分别为、，并使用 型数码照相机录制样品制备过程，使用镊子收集过电流导线熔断瞬间产生的喷溅熔珠，依次对熔珠进行镶嵌、粗磨、精磨、抛光、腐蚀等处理后，置于金相显微镜下观察分析，并进行照相。为保证数据结果的准确性，每个电流值进行 次平行试验。试验场景如图 所示。试验结果 电流值对喷溅熔珠数量的影响表 给出不同电流值条件下过电流喷溅熔珠的数量（次平行试验结果依次给出），可以发现喷溅熔珠的数量随着电流值的升高大致呈现下降趋势，当电流值为 时，产生的喷溅熔珠平均数量最多，为 个。导线发生过电流故障熔断时，瞬间会产生温度 以上的断路电弧，且随着电流值的升高，断路电弧产生的瞬间温度也会升高，高温会使导线断点两端的金属熔化成液态金属，并在电弧能量的驱使下向四周飞溅，液态金属在落地后会凝固为喷溅熔珠。电流值的增大一方面会使电弧温度升高，另一方面会降低拉弧时间，使电弧能量无法充分作用于导线断点，因此喷溅熔珠的数量随电流值的升高会大致呈现下降趋势。图 试验场景示意图表 不同电流值条件下喷溅熔珠数量统计表电流值 熔珠数量（次）个平均数量 个，喷溅熔珠典型金相组织 喷溅熔珠金相组织孔洞形态液态金属在空气中飞溅时，会融入空气、烟气，在熔珠内部形成规则、不规则的孔洞。为明确某一熔珠金相组织孔洞是否规则，更好地对喷溅熔珠金相组织进行分类，本文将孔洞长宽比小于等于 时定义为规则孔洞，反之则为不规则孔洞。规则孔洞如图（）所示，不规则孔洞如图（）所示。喷溅熔珠金相组织特征及分类在本试验研究过程中，共收集不同电流值条件下的喷溅熔珠 个，通过对喷溅熔珠的金相组织进行统计、分析发现，熔珠金相组织中晶粒的类型及孔洞的形态存在差异，可以将喷溅熔珠的金相组织分为 类。不同类型熔珠的金相组织特征为：型金相组织为树枝晶规则孔洞型，晶胞均为树枝晶，且出张 博：过电流故障诱发铜导线喷溅熔珠的特征现的孔洞均为规则孔洞；型金相组织为树枝晶不规则孔洞型，晶胞均为树枝晶，且出现不规则孔洞；型金相组织为树枝晶无孔洞型，晶胞均为树枝晶，且不存在孔洞；型金相组织为等轴晶规则孔洞型，晶胞均为等轴晶，且出现的孔洞均为规则孔洞；型金相组织为等轴晶不规则孔洞型，晶胞均为等轴晶，且出现不规则孔洞；型金相组织为等轴晶无孔洞型，晶胞均为等轴晶，且不存在孔洞；型金相组织为混合晶规则孔洞型（混合晶是指树枝晶和等轴晶在同一熔珠金相组织中同时存在），晶胞中既有树枝晶也有等轴晶，且出现的所有孔洞均为规则孔洞；型金相组织为混合晶不规则孔洞型，晶胞既有等轴晶也有树枝晶，且有不规则孔洞出现；型金相组织为混合晶无孔洞型，晶胞中既有等轴晶也有树枝晶，且不存在孔洞。各类金相组织如图 所示。图 喷溅熔珠孔洞形态图 喷溅熔珠各类金相组织形貌 个有效喷溅熔珠的各类金相组织的出现次数如图 所示。由图 可发现，过电流喷溅熔珠出现最高的金相组织类型为 型。电流值对喷溅熔珠金相组织特征分布的影响当通过导线电流值为 时，共收集到 个有效喷溅熔珠。通过对不同金相组织的熔珠进行统计发现：型占比 ，型占比 ，型占比，型占比 ，型占比 。此时，过电流故障喷溅熔珠的金相组织最可能为 型。当通过导线电流值为 时，共收集到 个有效喷溅熔珠。通过对不同金相组织的熔珠进行统计发现：型占比 ，型占比 ，型占比 ，型占比 。此时，过电流故障喷溅熔珠的金相组织最可能为 型。当通过导线电流值为 时，防火工程研究共收集到 个有效喷溅熔珠。通过对不同金相组织的熔珠进行统计发现：型占比 ，型占比，型占比 ，型占比 。此时，过电流故障喷溅熔珠的金相组织最可能为 型。当通过导线电流值为 时，共收集到 个有效喷溅熔珠。通过对不同金相组织的熔珠进行统计发现：型占比 ，型占比，型占比，型占比 ，型占比 。此时，过电流故障喷溅熔珠的金相组织最可能为 型。当通过导线电流值为 时，共收集到 个有效喷溅熔珠。通过对不同金相组织的熔珠进行统计发现：型占比，型占比 ，型占比。此时，过电流故障喷溅熔珠的金相组织最可能为 型。图 各类金相组织出现次数分布 通过以上统计分析发现：不同电流值条件下，树枝晶、不规则孔洞的晶粒占比最高。由于金属中心与空气之间的过冷度过高，晶粒由中心向外不断生长为整齐的树枝晶。另外，熔融态金属在飞溅过程中，空气、绝缘层燃烧释放的烟气在侵入熔融态金属时，熔融态金属在凝固过程中也不断变形，因此孔洞以不规则状居多。结论随着电流值升高，过电流导线熔断产生喷溅熔珠的数量大致呈现下降趋势，当电流值为 时，产生的喷溅熔珠平均数量最多，为 个。过电流铜导线熔断瞬间产生的喷溅熔珠根据金相组织特征形貌主要为树枝晶、等轴晶、混合晶、无孔洞、规则孔洞、不规则孔洞，具体分为 类：型树枝晶规则孔洞，型树枝晶不规则孔洞，型树枝晶无孔洞，型等轴晶规则孔洞，型等轴晶不规则孔洞，型等轴晶无孔洞，型混合晶规则孔洞，型混合晶不规则孔洞，型混合晶无孔洞。在所有喷溅熔珠中，型金相组织出现的次数最多，在进行电气火灾物证鉴定时，可以辅助判断过电流故障的发生。过电流导线产生喷溅熔珠的过程中，除了电流值的变化引起电弧能量的变化会对喷溅熔珠形成过程及痕迹特征组织产生影响，其他外界条件，如外界温度、环境湿度、熔珠着床条件等都有可能对熔珠的特征形貌产生影响，在未来工作中，应当开展更为深入的研究。参考文献：，（）：张辉，邹红，董新 多股铜导线过载残留物表面形貌分析 理化检验（物理分册），（）：雷心怡 铜导线短路迸溅熔珠对粉状 纤维素的引燃能力 中国人民警察大学学报，（）：王希庆，韩宝玉，邸曼 电气火灾现场勘查与鉴定技术指南 沈阳：辽宁大学出版社，王书运，张晓凯，周忠平 火灾中铜导线及其熔珠显微结构的 分析 分析测试技术与仪器，（）：张金专，蒋浩 不同受热温度下一次短路熔珠显微特征分析 火灾科学，（）：曾庆松 浅析铜导线短路熔珠和焊接接头微观结构的异同 中国消防协会 中国消防协会科学技术年会论文集（下）：杨继光 加热时间对铜导线二次短路熔珠微观形貌的影响分析 消防技术与产品信息，（）：王芸，刘一乐，舒中俊，等 铜导线二次短路喷溅熔珠密度特征实验研究 消防科学与技术，（）：，（）：，（）：谌康伟，王芸 单股铜导线喷溅熔珠的密度与金相组织特征关联性研究 武警学院学报，（）：张 博：过电流故障诱发铜导线喷溅熔珠的特征 ，：，：；，：，：；（责任编辑 马 龙）（上接第 页），：，：；（责任编辑 李 蕾）