刀閘開關熔絲短路殘留物形貌特征分析

王晶晶　張　輝

(1.阜陽市潁泉區消防大隊，阜陽 065000；2.中國人民武裝警察部隊學院消防工程系，廊坊 065000)

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刀閘開關熔絲短路殘留物形貌特征分析

王晶晶1張輝2

(1.阜陽市潁泉區消防大隊，阜陽 065000；2.中國人民武裝警察部隊學院消防工程系，廊坊 065000)

摘要：利用火災痕跡物證綜合實驗臺，制備熔絲在下屬電路不同短路條件下的殘留物，用掃描電子顯微鏡對熔絲殘留物形貌特征進行觀察、分析。結果表明，在不同的短路條件下，電流越大，熔絲殘留物表面氧化物越少，斷口處的韌窩越大、越深。通過模擬實驗可以鑒別刀閘開關熔絲在火災前是否處于短路狀態以及判定其短路程度。

關鍵詞：刀閘開關熔絲；短路；殘留物；形貌特征；掃描電子顯微鏡

1前言

隨著社會經濟的持續發展，全國用電量不斷增加，電氣火災發生的數量高居不下，每年都帶來巨大的經濟損失,重大的人員傷亡。例如我國2008年火災13.7萬起，其中電器火災4.1萬起，占總數的29.9%[1-4]。電氣火災中不少是與刀閘開關熔絲短路有關的。對于短路火災的認定，其關鍵問題是能夠通過導線殘留物，確定其在火災發生前的狀態，這是認定此類火災原因的關鍵性問題[5]。本實驗通過模擬實驗，制備熔絲在下屬電路不同短路條件下的熔絲殘留物，利用掃描電子顯微鏡對其形貌特征進行拍攝、記錄。對得到的熔絲殘留物的特征圖片進行對比，分析其在不同短路條件下的形貌特征，總結出其中的差別與規律性，以此來鑒別其在火災前是否處于短路狀態以及判定其短路程度。

2實驗

2.1　儀器和材料

(1)KYKY2800B型掃描電子顯微鏡(北京中科科儀公司)：分辨率6 nm(鎢絲)，放大倍數為15～250000×(W.D12nm)，加速電壓為0～30 kV。

(2)火災痕跡物證綜合實驗臺：頻率50 Hz，輸出電壓380 V。

(3)額定電流分別為5A、10A、15A的熔絲。

2.2　熔絲短路殘留物的制備

在刀閘開關的底座上接入熔絲，通過調壓器調節電壓來設定電路中的電流為10倍、15倍、20倍額定電流，分別獲得不同規格熔絲在不同短路電流下的殘留物。

3結果與分析

3.1　熔絲缺損長度

熔絲在短路時，容易產生噴濺熔珠，殘留物表面大多附著有片狀熔體，熔絲缺損較多，殘留部分少，并在膠蓋殘留熔絲熔融氣化產生的噴濺痕跡，形成顆粒熔珠粘附在電閘蓋內壁及閘面上，并有灰白色痕跡，如圖1所示。短路時，由于瞬間產生的大電流通過，使得熔絲的溫度迅速升高，快速熔化并可能被氣化，產生 “爆斷”現象，所以造成短路時熔絲的缺損量較多；同一規格的熔絲，不同短路條件下短路電流越大，熔絲的缺損量越多。同一短路條件下，規格越大的熔絲，缺損越多，如表1所示。

表1　短路時熔絲缺損長度　cm

3.2　熔絲爆斷時間

同一規格的熔絲：短路時，爆斷所用的時間較短，短路電流越大，爆斷的速度越快；不同規格的熔絲，在同一倍率的額定電流下，額定電流越大的熔絲，熔斷所需的時間越短，如表2所示。

表2　短路時熔絲爆斷時間　s

3.3　熔絲短路殘留物形貌特征分析

3.3.1　表面形貌特征

(1)低放大倍率形貌特征

在低倍下，熔絲表面熔斷痕跡，有小細紋，表面光滑，熔斷痕呈弧形，表面光滑，熔斷區端部略粗于本體，熔斷痕與本體有明顯界線，熔斷區域上端呈棒槌狀，并附著有少量氧化物，如圖2(a)、圖2(b)所示。

圖1　熔絲的缺損長度

圖2　熔絲短路殘留物表面低倍形貌

(2)高放大倍率形貌特征

在高倍下，熔絲表面比較光滑，有大量塊狀花樣，大小均勻，而且排列緊密，雖然短路時溫度較高，但高溫持續的時間較短，所以氧化物較少，部分氧化物脫落。如圖3(a)、圖3(b)所示。

圖3　熔絲短路殘留物表面高倍形貌

3.3.2　斷面形貌特征

(1)低放大倍率形貌特征

短路熔痕因在形成時冷卻速度快，過冷度大，凝固過程較短，因此，熔絲在熔化時所吸收的氣體還沒有來得及與熔絲充分反應和逸出時，就截留在內部組織中。斷口處不平整，呈蜂窩狀，表面粗糙，斷口附近有明顯的宏觀塑性變形，表面呈纖維狀，纖維區所占的面積較大，并有少量附著物。如圖4 (a)、圖4 (b)所示。

圖4　熔絲短路殘留物斷面低倍形貌

(2)高放大倍率形貌特征

斷口形態呈拋物線形卵形花樣，高倍像下洞底部有裂紋、有放射狀花樣，孔洞均勻細密、比較規則，卵形韌窩是由在較大的夾雜物或第二相粒子先形成大韌窩核，當大韌窩在長大過程中，其自由表面與一個小韌窩連通，這時小韌窩完成附著在大韌窩上，其形貌類似卵形。同時金屬材料本身的塑性直接影響顯微空洞的聚集、連接的方式[6]；短路時熔絲表面的溫度較高，使晶界熔融熔化，導致晶界被氧化，斷口處的韌窩直徑較大，深度較淺，內部有很多裂紋。如圖5 (a)、圖5 (b)所示。

圖5　熔絲短路殘留物斷面高倍形貌

4結論

通過模擬實驗可以鑒別刀閘開關熔絲在火災前是否處于短路狀態以及判定其短路程度。

(1)不同短路條件下，短路電流越大，熔絲的缺損量越多。同一短路條件下，規格越大的熔絲，缺損越多。

(2)不同短路條件下，熔絲殘留物表面低倍形貌略有不同，短路電流越大，熔斷痕與本體之間的界線越明顯；高倍形貌則有明顯區別：短路電流越大，表面附著的氧化物越少。

(3) 不同短路條件下，熔絲殘留物斷面低倍形貌基本相同，高倍形貌則有明顯區別：隨著短路電流增大，斷口處韌窩有變大、變深的趨勢。

參考文獻

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[3] Kat suhiro Okamoto, Hideki Sato. Fire causes in elect rical plugs[ R]. National Research institute of police Scinece,1998:47-52.

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[5] Hietaniemi J, Mangs J, Hakkarainer T. Burning of Electrical Household Appliance-An Experimental Study. RN-2084 VTT, 2001:11-15.

[6] 鐘群鵬,趙子華.斷口學[M]. 北京:高等教育出版社,2005:131-161.

Morphology characters study on fuse short circuit residuum of knife switch.

WangJingjing,ZhangHui

(1.TheFireDetachentofFuyang,Fuyang23600,China; 2.TheInstitutoftheChinesePeople’sPoliceForces,Langfang06500,China)

Abstract:In this paper, the integrated experimental system of material evidence for fire trace is used to make fuse residuum by simulating different degree of short circuit. The scanning electron microscope can be utilized to observe and analyze the morphology characters on fuse short circuit fesiduum. The results indicate that in the different degree of the short circuit, the larger the current is ,the less the amount of the oxide on the fuse fesiduum’s surface is; the larger the current is ,the bigger and deeper the dimple of fuse fesiduum is.We can identify whether the fuse short circuit residuum caused in front of the fire and also can determine the extent of short circuit.

Key words：knife switch fuse;short circuit;fesiduum;morphology characters;scanning electron microscope

收稿日期：2014-10-17

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.02.015

作者簡介：王晶晶，女，1987年出生，研究生，助理工程師，2012年畢業于中國人民武裝警察部隊學院。