呂雪麗，王 博

1.烏魯木齊市消防救援支隊(duì),新疆 烏魯木齊 830000; 2.博樂市消防救援支隊(duì)，新疆 博樂 833400

0 引言

導(dǎo)線過電流故障是一種常見的電氣故障類型，具有很強(qiáng)的引燃能力[1]。過負(fù)荷、過電壓、雷擊等均會(huì)誘發(fā)過電流故障[2]，過電流故障在火場中十分常見。導(dǎo)線絕緣層的內(nèi)焦、松弛、脫離線芯本體是過電流故障的典型痕跡[3-4]，但導(dǎo)線絕緣層PVC為可燃材料，在火場中易滅失，因此為準(zhǔn)確認(rèn)定過電流故障，需要在導(dǎo)線線芯本體上找到能夠在火場中穩(wěn)定保存的痕跡物證。針對(duì)導(dǎo)線過電流故障的痕跡特征，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。Choi等[5]借助高速攝像機(jī)研究了無絕緣單芯銅導(dǎo)線發(fā)生過電流故障時(shí)熔斷處的電弧熔痕特征，認(rèn)為過電流導(dǎo)線噴濺熔珠金相組織中樹枝晶的含量與導(dǎo)線電流增長速率及增長間隔有關(guān)聯(lián)；張金專[6]研究了不同過電流值和故障發(fā)生時(shí)銅導(dǎo)線金相組織的變化情況，發(fā)現(xiàn)粗大的等軸晶是未熔斷過負(fù)荷導(dǎo)線的主要晶粒類型；Wright等[7]分別研究了過電流故障和短路故障的宏觀特征，認(rèn)為通過宏觀方式很難區(qū)分兩者；周廣英等[8]對(duì)單股銅導(dǎo)線過電流故障熔痕的金相組織進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線過電流故障熔痕的金相組織以樹枝晶為主，且晶粒具有明顯的方向性；劉玲等[9]研究了火場條件下多股銅導(dǎo)線過電流故障的痕跡特征，發(fā)現(xiàn)隨著導(dǎo)線過電流故障程度的加重，導(dǎo)線線芯表面會(huì)依次呈現(xiàn)出剝離脫落、塊狀開裂、珊瑚狀小顆粒等現(xiàn)象；王樸真等[10]研究了過電流倍數(shù)對(duì)多股銅導(dǎo)線故障的影響，發(fā)現(xiàn)多股銅導(dǎo)線過電流故障熔痕主要分為兩類，并且其金相組織差異很大。綜上所述，盡管目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)導(dǎo)線過電流故障痕跡開展了廣泛研究，但并未給出導(dǎo)線過電流故障的認(rèn)定依據(jù)。本文模擬不同倍率額定電流時(shí)的導(dǎo)線過電流故障，利用數(shù)碼攝像機(jī)記錄導(dǎo)線過電流故障過程，借助高速影像對(duì)比分析其瞬間變化，借鑒NFPA 921中的時(shí)間軸分析方法[3]搭建過電流導(dǎo)線發(fā)熱燃燒過程的時(shí)間軸，明確各階段的時(shí)間關(guān)系，通過體視顯微鏡對(duì)斷點(diǎn)熔痕的宏觀特征進(jìn)行固定、統(tǒng)計(jì)、分析，利用金相法對(duì)其金相組織進(jìn)行分類研究，為火災(zāi)現(xiàn)場中過電流故障的準(zhǔn)確識(shí)別提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

銅導(dǎo)線：津貓線纜股份有限公司生產(chǎn)的2.5 mm2ZR-BV單芯銅導(dǎo)線，額定電流Ie=34 A，絕緣層PVC厚度0.8 mm、截面積6.46 mm2，線芯直徑1.78 mm[11]。腐蝕劑：鹽酸氯化鐵水溶液(5 g氯化鐵、100 mL水、10 mL鹽酸)。其他材料：Ⅱ型造牙樹脂，Ⅱ型義齒基托樹脂液，金相拋光劑，無水乙醇，蒸餾水，120#、2000#金相砂紙。

1.2 儀器設(shè)備

中國人民警察大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置：可采集通過導(dǎo)線的電流、電壓，采集頻率為1.5×104Hz；可控電壓為0～660 V，調(diào)節(jié)精度為0.15 V；可控電流為0～300 A，調(diào)節(jié)精度0.1 A。其作為過電流故障的發(fā)生裝置。Phantom VEO 640高速攝像機(jī)：分辨率為1920×1020，曝光時(shí)間為2 000 μs，采樣率為10 pps，用于采集導(dǎo)線過電流故障過程中的高速影像。XTL-340型體視顯微鏡：用于觀察、記錄過電流導(dǎo)線斷點(diǎn)熔痕的宏觀特征。YMP-1型金相試樣拋磨機(jī)：用于打磨、拋光熔痕的金相試樣。Carl Zeiss Observer A1m型金相顯微鏡：用于觀察熔痕的金相組織。

1.3 樣品制備

如圖1所示，將ZR-BV單芯銅導(dǎo)線截成650 mm的小段若干，剝?nèi)?dǎo)線兩端約30 mm絕緣層，將導(dǎo)線懸空水平布置在固線裝置上。保持導(dǎo)線兩端電壓220 V不變，使導(dǎo)線分別通過4Ie、4.5Ie、5Ie、5.5Ie、6Ie電流(導(dǎo)線過電流熔斷時(shí)的最低電流為4Ie[12])，每一種試驗(yàn)電流條件下進(jìn)行5組平行試驗(yàn)。平行架設(shè)數(shù)碼攝像機(jī)和高速攝像機(jī)，分別記錄導(dǎo)線過電流故障的宏觀發(fā)熱過程及瞬間高速影像變化。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 導(dǎo)線過電流故障過程

當(dāng)導(dǎo)線通過電流I≥4Ie時(shí)，隨著通電時(shí)間的延長，過電流導(dǎo)線依次出現(xiàn)導(dǎo)線沉降、絕緣鼓泡熱解、線芯熔斷拉弧、火焰蔓延燃燒等一系列變化過程。故障發(fā)生后，過電流導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生多個(gè)斷點(diǎn)，但這些斷點(diǎn)并非同時(shí)產(chǎn)生，其中最先產(chǎn)生的斷點(diǎn)為電弧和火焰耦合作用產(chǎn)生的電弧斷點(diǎn)，其余斷點(diǎn)為僅有火焰作用產(chǎn)生的非電弧斷點(diǎn)。6Ie過電流導(dǎo)線發(fā)熱燃燒過程時(shí)間軸如圖2所示。

圖2 6Ie過電流導(dǎo)線發(fā)熱燃燒過程時(shí)間軸

導(dǎo)線發(fā)生過電流故障后，其線芯本體上會(huì)產(chǎn)生三種典型熔痕，即電弧作用產(chǎn)生的斷點(diǎn)熔痕、火焰和應(yīng)力作用產(chǎn)生的非電弧斷點(diǎn)熔痕及突出于線芯本體的尖狀、小結(jié)疤狀熔痕。6Ie過電流導(dǎo)線線芯本體熔痕的宏觀形貌如圖3所示。

2.2 過電流銅導(dǎo)線電弧斷點(diǎn)分布特征

導(dǎo)線在過電流故障過程中會(huì)發(fā)生沉降，將不同過電流導(dǎo)線拉弧瞬間的高速影像進(jìn)行堆棧合成，發(fā)現(xiàn)對(duì)于通過不同倍數(shù)額定電流的導(dǎo)線，其熔斷時(shí)沉降的距離基本一致。不同電流值時(shí)，過電流導(dǎo)線電弧產(chǎn)生瞬間的現(xiàn)象如圖4所示，堆棧合成圖如圖5所示。

運(yùn)用PS標(biāo)尺比例換算，以實(shí)驗(yàn)臺(tái)兩銅柱間距55.7 cm為基準(zhǔn)，對(duì)不同過電流導(dǎo)線電弧發(fā)生位置與線端之間的距離進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線通過電流值越高，其電弧斷點(diǎn)越接近導(dǎo)線端部。通過Origin擬合發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線通過電流值與電弧斷點(diǎn)距線端的距離呈二次函數(shù)關(guān)系，擬合曲線的方程為y=0.00117x2-0.6073x+84.586，且擬合曲線的回歸參數(shù)R2=0.97326，擬合曲線如圖6所示。

圖3 6Ie過電流導(dǎo)線不同熔痕的宏觀形貌

2.3 過電流銅導(dǎo)線斷點(diǎn)熔痕的金相組織

通過對(duì)不同過電流值導(dǎo)線電弧斷點(diǎn)熔痕的金相組織進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，發(fā)現(xiàn)過電流故障電弧斷點(diǎn)熔痕金相組織的晶粒主要呈現(xiàn)出兩種形態(tài)：(1)熔痕內(nèi)部晶粒均為樹枝晶；(2)熔痕邊緣晶粒存在少量樹枝晶，內(nèi)部為等軸晶。過電流導(dǎo)線電弧斷點(diǎn)熔痕金相組織如圖7所示。

非電弧斷點(diǎn)熔痕金相組織的晶粒主要呈現(xiàn)出兩種形態(tài)：(1)熔痕內(nèi)部晶粒均為等軸晶；(2)熔痕邊緣存在少量樹枝晶，內(nèi)部為等軸晶。過電流導(dǎo)線非電弧斷點(diǎn)熔痕金相組織如圖8所示。

3 分析與討論

3.1 過電流導(dǎo)線發(fā)熱熔斷變化過程原因分析

當(dāng)導(dǎo)線發(fā)生過電流故障時(shí)，線芯由于電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量，這些熱量會(huì)通過熱傳導(dǎo)向絕緣層傳

圖4 過電流導(dǎo)線斷路電弧產(chǎn)生時(shí)的現(xiàn)象

圖5 不同過電流導(dǎo)線堆棧合成圖

播，再通過對(duì)流換熱向外界傳播[13]。為簡化模型，假設(shè)：(1)導(dǎo)線絕緣層與線芯的熱物性參數(shù)在過電流故障全過程中保持不變；(2)只考慮導(dǎo)線徑向的溫度梯度，且將其發(fā)熱過程近似看作是一維熱傳導(dǎo)問題；(3)導(dǎo)線線芯各處無溫度梯度；(4)忽略導(dǎo)線線芯與絕緣層之間的空氣間隔，且導(dǎo)線線芯和絕緣層之間的熱阻可以忽略不計(jì)。導(dǎo)線徑向溫度分布如圖9所示，圖中r為導(dǎo)線任意一處半徑，r0為導(dǎo)線絕緣層半徑，rc為導(dǎo)線線芯半徑，qf為導(dǎo)線線芯產(chǎn)生的熱量，qs為導(dǎo)線向外釋放的熱量。

導(dǎo)線通電后，線芯溫度持續(xù)升高，同時(shí)由于熱傳導(dǎo)作用，導(dǎo)線絕緣層溫度也不斷升高，在此過程中導(dǎo)線線芯的導(dǎo)熱微分方程為：

I2Rdt=(∑mc)dT+2πr0h(T-Ta)dt

(1)

式中，I為線芯內(nèi)通過的電流值；R為單位長度線芯的電阻；t為導(dǎo)線通電時(shí)間；m為單位長度質(zhì)量；c為比熱容；T為溫度；h為對(duì)流換熱系數(shù)。當(dāng)t=0時(shí)，即導(dǎo)線開始通電時(shí)，T為室溫Ta，則：

(2)

圖6 過電流導(dǎo)線電弧斷點(diǎn)位置擬合曲線

圖7 電弧斷點(diǎn)熔痕金相組織

當(dāng)通電時(shí)間趨于無窮大時(shí)，導(dǎo)線線芯的產(chǎn)熱和散熱達(dá)到平衡，導(dǎo)線的溫度趨于穩(wěn)定，其平衡溫度為：

(3)

當(dāng)電流為4Ie時(shí)，得到的平衡溫度Tb遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅的熔點(diǎn)(Tm)1 083 ℃，說明計(jì)算所得Tb為偽平衡，即導(dǎo)線在未達(dá)到平衡時(shí)已經(jīng)熔斷，熔斷后由于導(dǎo)線溫度不再升高，故導(dǎo)線不會(huì)達(dá)到計(jì)算溫度，同時(shí)這也解釋了導(dǎo)線發(fā)生熔斷產(chǎn)生斷路電弧的原因。

導(dǎo)線過電流故障過程中，其絕緣層的變化過程大致可分為四個(gè)階段：(1)導(dǎo)線PVC絕緣層在線芯熱傳導(dǎo)作用下受熱分解，釋放出可燃的熱解氣體[14]。(2)熱解氣體在熱泳力作用下擴(kuò)散。由于可燃熱解產(chǎn)物的溫度遠(yuǎn)大于周圍空氣的溫度，所以周圍空氣在對(duì)流換熱作用下溫度升高，熱空氣與周圍空氣出現(xiàn)溫度梯度。被可燃熱解氣體加熱的氣體分子以更高的動(dòng)能與熱解氣體粒子碰撞，使熱解氣體粒子向周圍低溫空氣移動(dòng)。由此，可燃熱解產(chǎn)物不斷向外擴(kuò)散，與周圍空氣混合，形成可燃預(yù)混氣體[15]。導(dǎo)線絕緣層燃燒過程中第一、二階段示意圖如圖10所示。(3)過電流故障導(dǎo)線熔斷，產(chǎn)生的斷路電弧將可燃預(yù)混氣體引燃，出現(xiàn)火焰，發(fā)生預(yù)混燃燒。(4)火焰沿導(dǎo)線水平方向傳播，同時(shí)火焰的直接作用也使絕緣層的熱解反應(yīng)加劇，釋放更多可燃?xì)怏w，維持燃燒狀態(tài)，火焰向?qū)Ь€遠(yuǎn)端傳播。

圖8 非電弧斷點(diǎn)熔痕金相組織

圖9 過電流導(dǎo)線發(fā)熱模型及徑向溫度分布示意圖

圖10 絕緣熱解產(chǎn)物擴(kuò)散示意圖

3.2 非電弧斷點(diǎn)熔痕金相組織成因分析

非電弧斷點(diǎn)熔痕形成時(shí)，線芯整體溫度并未達(dá)到銅的熔點(diǎn)Tm，而金屬的再結(jié)晶溫度TR較低[16]，由經(jīng)驗(yàn)公式TR≈(0.35～0.45)Tm計(jì)算得到銅發(fā)生再結(jié)晶的溫度約為380～490 ℃[17]。本試驗(yàn)過電流線芯整體溫度超過此溫度，所以非電弧斷點(diǎn)痕跡大部分區(qū)域以再結(jié)晶的等軸狀組織為主。另外，由于電流的集膚效應(yīng)，線芯通過的電流多分布于表面區(qū)域，導(dǎo)致線芯表面溫度明顯高于內(nèi)部溫度，并且絕緣層燃燒的火焰同樣僅作用于線芯表面，所以線芯表面會(huì)出現(xiàn)少量以樹枝狀晶粒為主的熔化區(qū)域。

4 結(jié)論

通過本文試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論：(1)當(dāng)I≥4Ie時(shí)，過電流導(dǎo)線會(huì)出現(xiàn)絕緣鼓泡熱解、線芯熔斷拉弧、火焰蔓延燃燒等現(xiàn)象，此時(shí)起火點(diǎn)處會(huì)呈現(xiàn)明火燃燒。(2)導(dǎo)線發(fā)生過電流故障熔斷時(shí)，其電弧斷點(diǎn)距線端的距離與電流值呈二次函數(shù)關(guān)系，導(dǎo)線過電流倍數(shù)越高，其電弧斷點(diǎn)距離線端越近，此結(jié)論可為過電流故障典型熔痕的采集、提取提供依據(jù)。(3)熔痕內(nèi)部晶粒均為樹枝晶是電弧斷點(diǎn)熔痕的典型組織，熔痕內(nèi)部晶粒均為等軸晶是非電弧斷點(diǎn)熔痕的典型組織，此結(jié)論可為認(rèn)定導(dǎo)線過電流故障提供依據(jù)。