銅導線一次短路線端熔珠與噴濺熔珠金相組織對比分析

張　臻

(中國人民武裝警察部隊學院研究生部，廊坊 065000)

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銅導線一次短路線端熔珠與噴濺熔珠金相組織對比分析

張臻

(中國人民武裝警察部隊學院研究生部，廊坊 065000)

為了提高一次短路熔珠鑒定的準確性，模擬單芯銅導線一次短路故障，獲得不同實驗條件下的線端短路熔珠和噴濺短路熔珠樣品，用金相顯微鏡對短路熔珠金相組織進行觀察。結果表明：線端熔珠與噴濺熔珠的晶粒形態、晶粒大小以及內部氣孔分布特征存在明顯的區別，不宜適用同一的標準進行鑒別。

銅導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線被熔斷后，殘留在熔斷導線端頭的圓珠狀熔痕和從短路點飛出的金屬液滴冷卻而形成的圓珠狀熔痕[1]。研究導線短路熔痕金相組織特征，確定火災是否由導線短路引起，對查明起火原因，認定火災事故責任具有重要意義。目前我國對短路熔痕的研究和鑒定主要依據《電氣火災原因技術鑒定方法》，以金相分析法為主(GB1840.4-1997)[2]，該標準并未對提取的短路線端熔珠和噴濺熔珠進行區分和要求。國外學者對金相分析法鑒別導線一次短路熔痕持謹慎態度，金相分析法主要應用在短路熔痕與過負荷、火燒熔痕的鑒別，對于線端熔珠與噴濺熔珠金相組織的對比并未有深入的研究[3]。

由于銅導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別。本實驗通過模擬實驗，研究了不同短路電流、不同截面積單芯銅導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線截面積對金相組織的影響。

1　實驗部分

1.1實驗設備與材料

Axio Observer A1m蔡司金相顯微鏡(德國卡爾蔡司公司生產)；HZ-1型火災痕跡物證綜合實驗臺(武警學院火災物證鑒定中心自主研發)；PG-2D型金相試樣拋光機(上海金相機械設備有限公司生產)。

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實驗過程

利用HZ-1型火災痕跡物證綜合實驗臺在導線空氣敷設長期允許載流量[4]的5、6、7倍電流擋位下(2.5mm2單芯銅導線取150A、180A、210A3個擋位，4mm2單芯銅導線取200A、240A、280A3個擋位)，使2.5mm2和4mm2截面積單芯銅導線分別發生一次短路制成短路熔珠。

實驗采用先通電再短接的方法，使帶電導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，線端熔珠直接由導線上截取，噴濺熔珠由表面覆蓋石膏板的接盤進行收集(接盤距短路點水平高度差為20cm)。使用自凝牙托水和牙托粉對試樣進行鑲嵌，依次經過研磨、拋光和浸蝕后，使用金相顯微鏡對短路熔珠進行觀察和拍照記錄，線端熔珠與噴濺熔珠外觀形貌如圖1所示。

2實驗結果

2.1不同短路電流的一次短路熔珠金相組織特征

4mm2銅導線在200A、240A、280A三個電流擋位發生短路時，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別，線端熔珠的金相組織多為粗大的柱狀晶，熔珠與導線銜接處界線分明，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，氣孔沒有明顯的規律性變化。噴濺熔珠的金相組織多為細小的柱狀晶，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律性變化。

2.5mm2單芯銅導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律與4mm2單芯銅導線基本相同。

2.2不同導線截面積的一次短路熔珠金相組織特征

2.5mm2和4mm2單芯銅導線在其空氣敷設長期允許載流量的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，熔珠與導線銜接處界線分明，截面內氣孔較多，形狀圓潤，分布均勻；噴濺熔珠的金相組織均以細小的柱狀晶為主，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，導線截面積對一次短路熔珠金相組織的影響不明顯。

對不同截面積銅導線在其5倍和7倍短路電流下的金相組織進行觀察，也得到了一致的實驗結果。

3　分析與討論

3.1線端熔珠與噴濺熔珠金相組織特征對比分析

銅導線短路熔珠中的氣孔以析出性氣孔為主。導線發生一次短路時瞬間電弧溫度高達2000～3000℃，遠高于銅的熔點1083℃[6]，導線局部熔化，氣體溶入金屬。隨溫度的下降，溶解在液態金屬中的氣體元素會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，熔珠內的氣體來不及逸出體外，其金相組織內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，溶解于液態金屬中的氣體有較多時間外逸，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。產生這種現象的原因是隨著電流的增加，導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，導致晶粒細化。噴濺熔珠因其凝固過程與線體狀態沒有直接聯系，故熔珠的金相組織并沒有因短路電流的變化而產生較大影響。

3.3導線截面積對一次短路熔珠金相組織的影響

導線截面積無論對線端熔珠還是噴濺熔珠的金相組織均沒有明顯的影響。對于線端熔珠，較大的導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。然而由于銅的導熱系數很高，熔珠內的熱量大部分通過導線散失，其冷卻速度與熔珠尺寸關系不大，因此熔珠的金相組織并沒有明顯的變化。對于噴濺熔珠，由于不同截面積單芯銅導線一次短路實驗條件下，提取的熔珠尺寸差距不大，結晶環境相同，冷卻速度相近，因此熔珠的金相組織特征也比較相似。

4　結論

通過對實驗結果的分析討論，得到以下結論：

(1)線端熔珠與導線銜接處界線分明，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，噴濺熔珠的金相組織并未發生明顯變化；導線截面積對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)采用金相分析法對銅導線短路熔珠進行鑒定時，應注意熔珠的來源所在，不能籠統的以柱狀晶的粗大或細小作為判斷一次短路或二次短路的標準。

[1]張學楷.低壓線路短路火災的機理及原因認定[J].建筑電氣,2009,28(1):7-10.

[2] 國家技術監督局.GB 16840.4-1997 電氣火災原因技術鑒定方法 第4部分：金相法[S].北京:中國標準出版社,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.電子電工實用手冊[M].北京:中國電力出版社,2012:151-155.

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

[6] 邸曼,陳強.鎮流器火災危險性分析及火因鑒別方法的研究[J].消防科學與技術,2000,(4):52-54.

[7] 張明,邸曼,夏大維,等.銅導線短路熔痕內部孔洞形態特征參數的研究[J].消防科學與技術,2011,30(7):651-654.

[8] 莫善軍,彭文敬,梁棟等.電氣火災一次短路熔痕金相組織特征參數定量分析[J].中國安全生產科學技術,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學院安全工程專業在讀碩士研究生，主要從事火災調查和火災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