弱電短路線材涂層對熔痕形成的影響分析

方仕童，余圣輝（中山大學，廣州 510006）

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弱電短路線材涂層對熔痕形成的影響分析

方仕童，余圣輝
（中山大學，廣州 510006）

摘 要：為了定量研究弱電流條件下電氣故障的能量變化規律，本文所涉及的實驗選擇不同線材，分別經過加熱、通電處理、不處理等實驗過程，制備短路所形成的熔痕，并統計不同熔痕線徑比。結合金屬氧化層理論、晶體生長熱力學和動力學理論，分析不同的線材表面鍍層對短路熔痕線徑比的影響，探究弱電流引起短路造成線材變化的本質，進而揭示弱電流短路過程中的能量積聚規律。

關鍵詞：弱電流；電氣短路；鍍層；線徑比

1　前言

隨著智能電氣的普及，弱電流在生產生活有了廣泛的應用，強電流是用作一種動力能源，弱電流用于信息傳遞，其傳輸分為有線和無線兩種。相比于強電流，弱電流更加隱蔽，人們往往忽視身邊弱小電流的危害。隨著現代技術的發展，弱電也滲透到了強電領域，如電力電子器件、無線遙控等。隨之而來的弱電流故障隱患也不可避免，每年因此造成巨大損失。通常弱電流存在于傳統家用電氣的待機狀態和現代智能電器工作狀態。

2　實驗方案

為了探究弱電流短路的形成機理和短路熔痕特性，實驗模擬在控制變量條件下弱電流短路的事故現場，制備弱電流條件下的短路熔痕。搭建制備一次短路熔痕的實驗裝置，選擇筆記本電腦，汽車電池等常見弱電流工況做實驗依據，輸出20v、15v恒壓直流電，電流上限為1A。選擇表面無鍍層、表面鍍錫、鍍鋁、鍍鎂、含鐵的USB線材，經千分尺測量不同線材的平均直徑在0.200mm至0.220mm之間，每組線材分別包括不處理，通電1A電流5小時，和自然老化無鍍層USB線。依次取單股線材，制備短路熔痕，重復三次實驗，并對應編號。

3　實驗結果

3.1形狀分析

通過視頻顯微鏡對熔痕進行宏觀分析，結果表明熔痕有ABCD4類：

其中A類為偏置的球缺式，在表面無鍍層、鍍錫的線材通電或加熱處理后的線材中，以A類熔痕為主，且A類熔痕出現明顯的氧化膜破裂痕跡。B類為球式，在含鐵的線材中，正負極都主要呈現這種形狀，表明氧化膜覆蓋完整，部分熔痕不圓潤，呈現多面體形狀。C類為柱狀無明顯變形式，在無鍍層自然老化線材與表面鍍鋁的線材中，多呈現C模型，該模型熔痕端與導線分界過度區長，熔痕沿導線，呈現與導線形狀相同的圓柱形。前三類出現在20v恒壓源短路熔痕中。D類為球串式，出現在15v恒壓源短路實驗中，熔痕是多個小球串在一起形成的，線材熔痕區最長。

3.2實驗線徑比分析

經過試驗，實驗線材表面金屬氧化物熔點比純金屬高，表一每組線材，氧化處理后短路熔痕線徑比會比未處理大。純金屬中，鍍層為鐵的線材線徑比最大，且其余線材線徑比與鍍層金屬熔點成正比關系。表面氧化處理后，線徑比的變化與金屬氧化物熔點之間不符合上述關系。

動力學分析：Pilling和Bedworth最先關注氧化膜的完整性和致密性，以PBR作為氧化膜的致密性判據，PBR表示金屬與其氧化物的體積比值。

金屬氧化時，PBR＜1，氧化物不能完全覆蓋金屬表面，稱為開豁性金屬，此時氧化膜不具保護性。因此以MgO作為表面保護的氧化膜，熔痕生長受到的約束應力最小。PBR數值還會影響到氧化膜生長的速度。實驗線材在80℃的加熱處理和通電處理，溫度都比較低，氧化膜在這樣條件下形成，可以應用金屬氧化膜的低溫生長規律。

當PBR＜1時，氧化膜生長滿足直線速度定律，一定溫度下，氧化速度與膜厚度無關，氧化膜厚度與氧化時間成正比，適用于鎂的氧化；當PBR接近1時或不超過15%，氧化膜生長滿足拋物線定律，給定條件下，由于氧化膜能夠覆蓋整個熔痕表面，具有保護作用，進一步氧化，反應物需要穿過膜來擴散傳質，導致膜生長速度與膜厚度成反比，該定律適用于純鐵、銅和鎳。

熱力學分析：熱力學理論目前有很多，以Wagner拋物線氧化理論為代表，主要解釋金屬氧化的動力和提出氧化膜的生長模型。Wagner拋物線氧化理論適用于表面已經生成一層致密氧化膜的金屬高溫氧化，即對應于實驗中短路過程，因為實驗采用的線材已經氧化處理，導線表面有致密氧化膜，且此時溫度超過一千度。金屬氧化時的自由能變化和氧化膜中成分的濃度梯度是高溫氧化反應的驅動力。

過冷度與再結晶理論：液態金屬在理論結晶溫度下不能結晶，而必須在一定過冷溫度下才能進行。而根據熱力學定律，體系狀態穩定性由自由能高低判斷。晶體自發地從液相轉變為固相所需驅動力便是兩種狀態的自由能之差。將熔體溫度T低于結晶理論溫度Tm的差值稱為過冷度。在熔體生長系統里，熔點溫度Tm代表熔體與晶體兩相熱力學平衡。熔體生長驅動力可以用以下公式表示：

lm為單原子熔化潛熱，ΔT = Tm - T為熔體的過冷度，Tm為熔點，Ωs為單原子體積。

3.3熔痕體積分析

對于模式B采用球的體積公式V=4/3πR^3；C模型采用圓柱體積公式V=πLR^2，L為熔痕在沿線方向的長度。D模型就可以看作多個B模型的加和，本文將具體介紹前三種。已知線徑比w=W/Φ，即熔痕寬度與線材直徑之比，在計算中，W近似為熔痕直徑，所以短路線材半徑r一定時，熔痕半徑R=wr也一定。

4　結論

本次實驗中，我們發現弱電流條件下的短路，時間非常短，在示波器下都難以記錄，而接入的檢測設備又會影響電流大小。另一方面，短路的線材無法用常規的歐姆表測量，因此在計算能量時沒有采用Q=∫I2 Rdt，為了更加準確的計算短路的能量，今后將要通過這種直接積分法來計算能量。

參考文獻：

［1］李鐵藩.金屬高溫氧化和熱腐蝕［J］.北京：化學工業出版社，2003（04）.

［2］劉 娟 等.AgGaS2晶體生長過程中的過冷度研究［J］.2004（02）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.159

基金項目：2013年公安部消防局科研計劃（2013XFCX13），廣東省自然科學基金項目（S2013010013225）