AA8030型鋁合金導線火災前短路熔化痕跡鑒別技術研究

李 陽，劉義祥，范超毅，李九霖

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

AA8030型鋁合金導線為Al-Fe-X系列導線，以Al元素為主，其中Fe含量為0.3%～0.8%，Cu含量為0.15%～0.30%，還有Si、Mg、Co等微量元素，相較于純鋁導線，電導率略有升高，且具有更好的抗拉強度和屈服強度[1]。19世紀初，美國最早開始了電工鋁合金的研究。1920年，美國、德國、瑞士等國家開始在高壓輸送線路中使用鋁合金導線[2]。1982年，我國上海電纜研究所首先研究了耐熱鋁合金導線，結束了我國進口耐熱鋁合金導線的歷史[3-4]。隨著技術發展，我國的鋁合金導線研究日漸成熟，已經得到了廣泛的應用。AA8030型鋁合金導線是應用最為成熟的導線之一，如：成都歡樂谷、天津普洛斯物流園等場所。雖然得到了大量的應用，但針對該型鋁合金導線火災危險性的相關研究較少，特別是涉及其電氣故障熔化痕跡的研究仍較為匱乏。

鋁合金導線常用于動力線和架空線路，如果施工不規范，受到外界破壞，較易引起相間短路故障，產生短路高溫電弧，引燃周圍可燃物，繼而引發火災[5]。由于架空線路往往位于高處，火災前的短路故障產生的熔化痕跡，受到高溫破壞較小，易被發現和提取，其熔化痕跡的鑒定結果是認定此處發生相間短路故障引發火災的關鍵證據。早在1977年，Levinson首先使用金相法對導線熔化痕跡進行檢驗鑒定的研究[6]；隨后，研究人員對檢驗鑒定導線熔化痕跡的金相法進行了深入研究，并得到了廣泛應用，已成為可信度較高的一種檢驗鑒定方法。1997年，王希慶等結合調查實踐和研究結果，在我國首次提出金相法檢驗鑒定電氣火災痕跡物證的判據，并建立了國家標準，一直沿用至今[7-8]。隨著科學技術的發展，金相法已由定性分析組織特征，發展到自動定量分析，鑒定準確性得到了極大提高。

相較于純鋁導線，鋁合金導線由于多種微量元素的加入(如表1所示)，其自身性能發生了改變，因此在短路高溫電弧作用下，導線的熔化和凝固過程也必將發生改變，產生的熔化痕跡也將出現典型特征和變化規律。因此，如何對火災現場中AA8030型鋁合金導線短路熔化痕跡進行判斷，從而認定其火災前發生了短路故障，目前尚未找到相關研究資料。本文將根據《電氣火災痕跡物證鑒定方法》(GB/T 16840)的相關內容，模擬制備火災前短路故障熔化痕跡，分析熔化痕跡的形狀特征，為現場提取痕跡物證提供參考，用金相法對熔化痕跡進行組織分析，為檢驗鑒定提供依據。同時，考慮短路電弧熱作用過程的復雜性，分析短路電弧能量對短路故障熔化痕跡特征的影響規律，提高AA8030型鋁合金導線火災前短路故障熔化痕跡檢驗鑒定的準確性和可靠性。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

單股聚氯乙烯AA8030型鋁合金導線，橫截面積為6 mm2，上海起帆電纜有限公司生產；5%HF水溶液；牙托水、牙托粉、氧化鋁拋光粉等。

表1 AA8030型鋁合金導線元素質量百分比(%)[9]

1.2 儀器設備

(1)電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置(自主研發)：高速采集短路瞬間的電壓、電流值，采集頻率1.5×104Hz，測量精度為電壓0.1 V，電流0.1 A，主要用于模擬發生導線間的短路故障、過電流故障；(2)YMP-1金相試樣磨拋機；(3)Zeiss AxioObserverA1倒置型金相顯微鏡；(4)XTL-340型體視顯微鏡(上海長方光學儀器有限公司制造)。

1.3 樣品制備

如圖1所示，根據導線的常見布線方式，選取200 mm的兩根鋁合金導線，中間部位去除3 mm的絕緣，模擬絕緣層的機械損傷缺口，在缺口處短接兩根導線，以保證周圍絕緣層在高溫電弧作用下產生熱分解氣體，參與熔化痕跡的形成過程中，貼近真實故障作用場景。分別設定短路觸發電流為80 A、120 A、160 A、200 A、240 A，間接控制電弧激烈程度，同時記錄每個短路過程瞬間的電壓、電流及持續時間，

圖1 AA8030型鋁合金導線火災前短路故障制備示意圖

計算短路電弧能量，如公式(1)所示[10]。

(1)

式中，Un為瞬時電壓值(V)；In為瞬時電流值(A)；Tn為短路時間(S)；Warc為電弧能量(J)。制備約500個熔珠，統計分析短路釋放能量對熔化痕跡形狀和組織特征的影響。

2 試驗結果

2.1 火災前短路熔化痕跡宏觀特征

如圖2所示，AA8030型鋁合金導線發生相間短路故障時，將產生5類熔痕，分別是：凹坑痕、凸起痕、圓球痕、尖狀痕和平起痕。如表2所示，在制備的500個短路熔痕中，圓球痕和尖狀痕的數量最多，分別達到了134和135個，其次是平起痕的90個。估算各個短路故障發生時的電弧能量，發現所測短路熔痕的電弧能量最大值為856.79 J,最小值為109.44 J，故將電弧能量值分布范圍設定為100～900 J，區間長度為100 J。分析表2可知，出現凹坑痕和凸起痕時，往往電弧能量較低，通常在300 J以

圖2 AA8030型鋁合金導線短路熔化痕跡典型宏觀特征(500×)

表2 各個電弧能量區間短路熔化痕跡宏觀特征類型分布

下，不會造成導線熔斷，只會產生凹坑痕和凸起痕；當電弧能量高于800 J時，由于電弧作用過于猛烈，圓球痕和尖狀痕也會消失，僅留下平起痕。

2.2 火災前短路熔化痕跡孔洞特征

如圖3所示，AA8030型鋁合金導線火災前短路熔化痕跡橫截面中，相較于純鋁導線火災前短路熔痕[11]，孔洞的數量較多，各類宏觀特征的短路熔化痕跡孔洞分布特征有所不同：對于熔化區較小，靠近本體的凹坑痕和平起痕，存在數量較多的細小孔洞，短路電弧能量對孔洞的形成影響不大；對于熔化區相對較大，突出于導線本體之外的凸起痕、圓球痕、尖狀痕，多數情況下內部孔洞數量較多，多為大孔洞，僅在電弧能量較小的圓球痕中，個別熔痕出現少而小的孔洞，尖狀痕孔洞多靠近本體。

圖3 各種宏觀類型的高低電弧能量短路熔化痕跡內部孔洞特征(500×)

2.3 火災前短路熔化痕跡組織特征

如圖4所示，AA8030型鋁合金導線火災前短路熔痕金相組織中，各類宏觀特征的熔化痕跡內部的組織特征也不盡相同：對于熔化區殘留量較少的凹坑痕、平起痕，甚至個別的尖狀痕，其組織非常致密，浸蝕難度大，但與本體之間存在明顯的界限；對于熔化區殘留量較多的凸起痕、圓球痕和多數尖狀痕，熔化區遠離本體的兩端組織呈現樹枝晶，晶粒生長方向性顯著，越靠近本體區組織越細密，有時熔化區的組織呈分區分布，熔化區組織與本體存在明顯的分界線。

圖4 各類宏觀類型的高低電弧能量短路熔化痕跡金相組織特征(500×)

3 分析與討論

3.1 電弧能量對火災前短路熔痕宏觀特征的影響分析

當帶電導線直接短接，相間電阻接近于零，回路電流迅速增大，致使短接點位置發熱熔化，連接處出現縫隙，產生高溫的短路電弧，電弧溫度在6 500 K以上[10]。在短路電弧的高溫作用下，短接點導體金屬瞬間熔化，縫隙增大，電弧熄滅。因此短路電弧具有溫度高，持續時間短，作用范圍小的典型特點[5,10]。短路電弧產生的能量傳遞，主要是通過熱傳導、熱輻射和熱對流的方式，除少數能量用于向周圍空氣輻射熱量外，多數能量集中用于短接點處的局部導體材料。在電弧的作用下，金屬導體瞬間熔化，由于溫度突然升高，周圍浮力氣壓突然增大，產生類似爆炸的沖擊波，也稱為電爆炸，沖擊波賦予高溫液態金屬動能，產生明顯的噴濺現象[5]。電弧能量越高，電爆炸的現象越明顯，沖擊波的動能越大，對液體金屬的沖擊越大，加之AA8030型鋁合金導線熔點較低，電弧能量越高，賦予高溫液體金屬能量越大，液態金屬的溫度相對越高，流動性更好，因此，解釋了電弧能量越高，本體熔化區越小，越易形成平起痕的宏觀現象。在實際的火災調查過程中，如果現場發現鋁合金導線呈現平起痕，可間接地說明此處電弧出現了明顯的噴濺現象，其正下方可能殘留有證明力更強的短路迸濺熔珠。

3.2 短路熔化痕跡內部孔洞特征的影響因素分析

短路高溫電弧發生后，作用到短接點處的導體，致使導體熔化，成為高溫液態金屬。假設高溫液態金屬始終不凝固，其內部孔洞的變化過程為：高溫液態金屬流動過程中，將液體周圍的氣體卷吸進入到高溫液態金屬中，分散在液態金屬中的氣體，首先發生匯集，逐漸形成集中的氣泡，隨著氣泡的體積增大，其浮力作用增大，隨后慢慢溢出[12-14]。上述過程建立在液態金屬不冷卻凝固的假設條件下，短路熔化痕跡形成時，高溫電弧熄滅后，高溫液態金屬溫度逐漸降低，隨之流動性減弱，氣體溢出的阻力增加，逐漸由液態變為固態，此時氣體將殘留在固態金屬中，形成熔化痕跡二維橫截面看到的孔洞特征。因此，影響短路熔化痕跡內部的孔洞特征的因素有：(1)滅弧后高溫液態金屬的起始溫度。高溫液態金屬起始溫度越高，液態金屬的流動性越好，卷吸進入的氣體量大，凝固時間越長，氣體有充足的時間匯集成氣泡，此為高能量短路電弧作用下，在短路熔化痕跡內部易出現大孔洞的主要原因。(2)高溫液態金屬周圍環境的導熱性。電弧作用時間短，作用范圍集中，對周圍環境的加熱作用有限。高溫液態金屬周圍主要存在兩種物質，一種是周圍的空氣環境，另一種是導線本體。相對于周圍空氣環境，導線本體為金屬，導熱性更好，熱容量更大，可迅速將熱量導走，因此靠近本體區的液體金屬溫度低，液體內的物質向此處流動，此為孔洞往往出現在靠近本體區的原因。(3)高溫液態金屬的自身體積。高溫液態金屬附著在導線本體上，液態金屬體積越大，自身所含的能量越大，加之質量-比表面積的比值增大，導致散熱減慢，因此其凝固所需時間較長，液態金屬中分散的氣體有時間匯集。對于凹坑痕和平起痕，熔化區體積小，凝固時間短，分散的氣體來不及匯集，因此形成分散的小孔洞。總之，熔化痕跡孔洞的形成受電弧能量、熔化痕跡宏觀特征等多種因素的綜合影響，需要綜合考慮。

3.3 短路熔化痕跡內部組織特征的影響因素分析

根據金屬凝固學原理[12-14]，液體金屬的凝固過程，主要受過熱度和過冷度的影響。過熱度是指在一定的壓力條件下，合金實際溫度與液相線凝固溫度的差值，此處是指短路高溫電弧作用后，高溫液態金屬起始溫度與實際凝固溫度的差值，決定著在液態階段合金的冷卻速度。過冷度是指合金的液相線凝固溫度與實際結晶溫度的差值，此處是指合金的熔點溫度(液相線)與周圍環境溫度的差值，理論上認為外界環境溫度為室溫。金屬凝固得越快，越易形成樹枝狀晶粒，凝固得越慢，越易形成等軸狀穩定晶粒。因此，影響短路熔化痕跡內部晶粒組織特征的因素主要有：(1)滅弧后高溫液態金屬的起始溫度。此溫度決定著短路后液態金屬的過熱度，起始溫度越高，凝固所需要的時間越長，內部晶粒具有充足的時間進行凝核、長大，短路電弧能量越高，傳導液態金屬的熱量越高，此時高溫液態金屬具有更高的起始溫度，此為高能短路電弧產生的熔化痕跡晶粒更大的原因所在。(2)高溫液態金屬周圍環境的導熱性。與孔洞影響因素的分析類似，高溫液態金屬周圍的兩種物質，溫度接近于室溫，將形成由熔體中心向周圍物質逐漸降低的溫度梯度場，此造成短路熔化痕跡的晶粒生長方向性顯著；對于凸起痕，由于導線本體接觸面較小且周圍導體對空氣散熱具有包裹性，熱量不易散出，因此凹坑痕形成的晶粒組織更加粗大。(3)高溫液態金屬的自身體積。同孔洞影響因素的分析，高溫液態金屬自身體積越小，凝固速度越快，晶粒來不及凝核、長大，因此造成凹坑痕和平起痕晶粒非常細小，尖狀痕尖部組織的晶粒較為細小?？傊后w金屬的凝固速度決定著短路熔化痕跡的晶粒組織特征的形成，凝固速度取決于過熱度和過冷度。對于火災前短路熔化痕跡來說，理論認為其在室溫條件下凝固，因此短路電弧能量以及熔化痕跡的宏觀特征對于組織特征的形成有顯著影響。

4 結論

4.1 AA8030型鋁合金導線發生火災前相間短路故障可形成凹坑痕、凸起痕、圓球痕、尖狀痕和平起痕5類熔化痕跡，火災現場發現凹坑痕和凸起痕說明電弧能量較低，通常在300 J以下，發現平起痕說明當時短路故障電弧能量較高，通常在500 J以上。

4.2 AA8030型鋁合金導線火災前短路熔化痕跡內部孔洞較多，以致密的樹枝晶為主，晶粒生長具有較強的方向性，孔洞、晶粒分析時需要結合熔化痕跡的形狀特征，凹坑痕和平起痕孔洞較小、分散，組織最為致密，凸起痕和圓球痕組織相對粗大，多為集中大孔洞。