張　臻

(中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院研究生部，廊坊 065000)

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銅導(dǎo)線一次短路線端熔珠與噴濺熔珠金相組織對(duì)比分析

張臻

(中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院研究生部，廊坊 065000)

為了提高一次短路熔珠鑒定的準(zhǔn)確性，模擬單芯銅導(dǎo)線一次短路故障，獲得不同實(shí)驗(yàn)條件下的線端短路熔珠和噴濺短路熔珠樣品，用金相顯微鏡對(duì)短路熔珠金相組織進(jìn)行觀察。結(jié)果表明：線端熔珠與噴濺熔珠的晶粒形態(tài)、晶粒大小以及內(nèi)部氣孔分布特征存在明顯的區(qū)別，不宜適用同一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鑒別。

銅導(dǎo)線一次短路線端熔珠噴濺熔珠金相組織

線端熔珠與噴濺熔珠分別是指短路瞬間導(dǎo)線被熔斷后，殘留在熔斷導(dǎo)線端頭的圓珠狀熔痕和從短路點(diǎn)飛出的金屬液滴冷卻而形成的圓珠狀熔痕[1]。研究導(dǎo)線短路熔痕金相組織特征，確定火災(zāi)是否由導(dǎo)線短路引起，對(duì)查明起火原因，認(rèn)定火災(zāi)事故責(zé)任具有重要意義。目前我國對(duì)短路熔痕的研究和鑒定主要依據(jù)《電氣火災(zāi)原因技術(shù)鑒定方法》，以金相分析法為主(GB1840.4-1997)[2]，該標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)提取的短路線端熔珠和噴濺熔珠進(jìn)行區(qū)分和要求。國外學(xué)者對(duì)金相分析法鑒別導(dǎo)線一次短路熔痕持謹(jǐn)慎態(tài)度，金相分析法主要應(yīng)用在短路熔痕與過負(fù)荷、火燒熔痕的鑒別，對(duì)于線端熔珠與噴濺熔珠金相組織的對(duì)比并未有深入的研究[3]。

由于銅導(dǎo)線一次短路線端熔珠與噴濺熔珠所處的冷卻條件存在較大差異，因而二者的金相組織可能存在明顯區(qū)別。本實(shí)驗(yàn)通過模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同短路電流、不同截面積單芯銅導(dǎo)線一次短路線端熔珠與噴濺熔珠的金相組織特征，考察兩者金相組織的差異及短路電流和導(dǎo)線截面積對(duì)金相組織的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

Axio Observer A1m蔡司金相顯微鏡(德國卡爾蔡司公司生產(chǎn))；HZ-1型火災(zāi)痕跡物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(武警學(xué)院火災(zāi)物證鑒定中心自主研發(fā))；PG-2D型金相試樣拋光機(jī)(上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn))。

銅芯聚氯乙烯絕緣電線(BV)：2.5mm2、4mm2。

金相砂紙；牙托粉；自凝牙托水；氧化鋁金相試樣拋光粉；氯化高鐵；鹽酸；無水乙醇。

1.2實(shí)驗(yàn)過程

利用HZ-1型火災(zāi)痕跡物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)在導(dǎo)線空氣敷設(shè)長期允許載流量[4]的5、6、7倍電流擋位下(2.5mm2單芯銅導(dǎo)線取150A、180A、210A3個(gè)擋位，4mm2單芯銅導(dǎo)線取200A、240A、280A3個(gè)擋位)，使2.5mm2和4mm2截面積單芯銅導(dǎo)線分別發(fā)生一次短路制成短路熔珠。

實(shí)驗(yàn)采用先通電再短接的方法，使帶電導(dǎo)線線端局部裸露線體接觸打弧，形成熔珠。待熔珠冷卻到室溫后，線端熔珠直接由導(dǎo)線上截取，噴濺熔珠由表面覆蓋石膏板的接盤進(jìn)行收集(接盤距短路點(diǎn)水平高度差為20cm)。使用自凝牙托水和牙托粉對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌，依次經(jīng)過研磨、拋光和浸蝕后，使用金相顯微鏡對(duì)短路熔珠進(jìn)行觀察和拍照記錄，線端熔珠與噴濺熔珠外觀形貌如圖1所示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1不同短路電流的一次短路熔珠金相組織特征

4mm2銅導(dǎo)線在200A、240A、280A三個(gè)電流擋位發(fā)生短路時(shí)，線端熔珠與噴濺熔珠的金相組織如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，一次短路線端熔珠與噴濺熔珠的金相組織存在明顯區(qū)別，線端熔珠的金相組織多為粗大的柱狀晶，熔珠與導(dǎo)線銜接處界線分明，晶粒具有垂直于分界線的明顯方向性，截面內(nèi)氣孔較多，形狀圓潤，分布均勻。隨著短路電流的增大，柱狀晶變得更加纖細(xì)，氣孔沒有明顯的規(guī)律性變化。噴濺熔珠的金相組織多為細(xì)小的柱狀晶，沒有明顯的方向性，氣孔較少，多集中分布在熔珠外表面附近，中心部位幾乎沒有氣孔。隨著短路電流的增大，熔珠晶粒和氣孔均沒有明顯的規(guī)律性變化。

2.5mm2單芯銅導(dǎo)線一次短路線端熔珠與噴濺熔珠的金相組織特征以及隨短路電流增加的變化規(guī)律與4mm2單芯銅導(dǎo)線基本相同。

2.2不同導(dǎo)線截面積的一次短路熔珠金相組織特征

2.5mm2和4mm2單芯銅導(dǎo)線在其空氣敷設(shè)長期允許載流量的6倍電流條件下一次短路形成的線端熔珠和噴濺熔珠金相組織如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，不同截面積的銅導(dǎo)線無論線端熔珠還是噴濺熔珠的金相組織均沒有明顯差異。線端熔珠的金相組織均以粗大的柱狀晶為主，方向性明顯，熔珠與導(dǎo)線銜接處界線分明，截面內(nèi)氣孔較多，形狀圓潤，分布均勻；噴濺熔珠的金相組織均以細(xì)小的柱狀晶為主，沒有明顯的方向性，氣孔較少，多集中分布在熔珠外表面附近，中心部位幾乎沒有氣孔。因此，導(dǎo)線截面積對(duì)一次短路熔珠金相組織的影響不明顯。

對(duì)不同截面積銅導(dǎo)線在其5倍和7倍短路電流下的金相組織進(jìn)行觀察，也得到了一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3　分析與討論

3.1線端熔珠與噴濺熔珠金相組織特征對(duì)比分析

銅導(dǎo)線短路熔珠中的氣孔以析出性氣孔為主。導(dǎo)線發(fā)生一次短路時(shí)瞬間電弧溫度高達(dá)2000～3000℃，遠(yuǎn)高于銅的熔點(diǎn)1083℃[6]，導(dǎo)線局部熔化，氣體溶入金屬。隨溫度的下降，溶解在液態(tài)金屬中的氣體元素會(huì)因在金屬中的溶解度的顯著降低而析出[7]。線端熔珠由于冷卻速度較快，熔珠內(nèi)的氣體來不及逸出體外，其金相組織內(nèi)部氣體聚集而形成較多氣孔，分布比較均勻。而噴濺熔珠由于冷卻速度較慢，溶解于液態(tài)金屬中的氣體有較多時(shí)間外逸，熔珠中心部位的氣孔較少，氣孔多分布在熔珠外表面附近。

3.2短路電流對(duì)一次短路熔珠金相組織的影響

隨著短路電流的增加，線端熔珠柱狀晶逐漸變纖細(xì)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著電流的增加，導(dǎo)線因迅速熔斷而使熔珠冷卻速度增加[8]，過冷度增大，N/G的比值增大，導(dǎo)致晶粒細(xì)化。噴濺熔珠因其凝固過程與線體狀態(tài)沒有直接聯(lián)系，故熔珠的金相組織并沒有因短路電流的變化而產(chǎn)生較大影響。

3.3導(dǎo)線截面積對(duì)一次短路熔珠金相組織的影響

導(dǎo)線截面積無論對(duì)線端熔珠還是噴濺熔珠的金相組織均沒有明顯的影響。對(duì)于線端熔珠，較大的導(dǎo)線截面積形成的熔珠尺寸也較大，熱量更不易于通過熔珠表面向周圍空氣散失。然而由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)很高，熔珠內(nèi)的熱量大部分通過導(dǎo)線散失，其冷卻速度與熔珠尺寸關(guān)系不大，因此熔珠的金相組織并沒有明顯的變化。對(duì)于噴濺熔珠，由于不同截面積單芯銅導(dǎo)線一次短路實(shí)驗(yàn)條件下，提取的熔珠尺寸差距不大，結(jié)晶環(huán)境相同，冷卻速度相近，因此熔珠的金相組織特征也比較相似。

4　結(jié)論

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論，得到以下結(jié)論：

(1)線端熔珠與導(dǎo)線銜接處界線分明，金相組織多為粗大的柱狀晶，且具有垂直于分界線的明顯方向性，氣孔較多，形狀圓潤，分布均勻。而噴濺熔珠的金相組織多為細(xì)小的柱狀晶，沒有明顯的方向性，氣孔較少，多集中分布在熔珠外表面附近，中心部位幾乎沒有氣孔。

(2)隨著短路電流的增大，線端熔珠柱狀晶變得更加纖細(xì)，噴濺熔珠的金相組織并未發(fā)生明顯變化；導(dǎo)線截面積對(duì)線端熔珠和噴濺熔珠的金相組織形貌均沒有明顯的影響。

(3)采用金相分析法對(duì)銅導(dǎo)線短路熔珠進(jìn)行鑒定時(shí)，應(yīng)注意熔珠的來源所在，不能籠統(tǒng)的以柱狀晶的粗大或細(xì)小作為判斷一次短路或二次短路的標(biāo)準(zhǔn)。

[1]張學(xué)楷.低壓線路短路火災(zāi)的機(jī)理及原因認(rèn)定[J].建筑電氣,2009,28(1):7-10.

[2] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 16840.4-1997 電氣火災(zāi)原因技術(shù)鑒定方法 第4部分：金相法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998.

[3] Scott A Wright, John D Loud, Richard A. Blanchard. Globules and beads: what do they indicate about small-diameter copper conductors that have been through a fire?[J].Fire Technology,2015,51(5):1051-1070.

[4] 劉光源.電子電工實(shí)用手冊(cè)[M].北京:中國電力出版社,2012:151-155.

[5] 崔忠圻,劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2007:41-63.

[6] 邸曼,陳強(qiáng).鎮(zhèn)流器火災(zāi)危險(xiǎn)性分析及火因鑒別方法的研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2000,(4):52-54.

[7] 張明,邸曼,夏大維,等.銅導(dǎo)線短路熔痕內(nèi)部孔洞形態(tài)特征參數(shù)的研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011,30(7):651-654.

[8] 莫善軍,彭文敬,梁棟等.電氣火災(zāi)一次短路熔痕金相組織特征參數(shù)定量分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012,8(1):63-70.

Metallographic analysis on primary short circuited melted beads of copper wire.

Zhang Zhen

(GraduateFaculty,ChinesePeople’sArmedPoliceForceAcademy,Langfang065000,China)

In order to improve the accuracy of indentifying primary short circuited melted beads, the primary short circuit of copper wire was simulated under several experimental conditions. The wire end melted beads and the splashing melted beads were both obtained, and their microstructure were observed by metallurgical microscope. The results showed that there were obvious differences in shape and size of crystallites and distribution of gas holes between the two kinds of melted beads, it was inappropriate to identify them by using unified standard.

copper wire; the primary short circuit; wire end melted bead; splashing melted bead; metallurgical structure

張臻，男，1991年出生，中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院安全工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事火災(zāi)調(diào)查和火災(zāi)物證鑒定方面的研究，E-mail：947487418@qq.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.02.017

2015-12-09