鋁導線短路過程的高速影像分析

呂會緒，諶康偉，申羽彤

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

短路是電氣火災引發的主要原因之一。線路在發生短路時，短路熔痕(熔珠)是在極短時間內形成的，導線在距離短路點1 cm的部分會產生比較高的溫度。因此在短路點會形成一個過渡區，在過渡區的兩邊分別是熔化區和非熔化區[1]。當導線短路發生時，短路點由于高溫作用會形成一個小熔池，短路結束后，這個熔池會在相當大的過冷度下結晶成鑄態組織，在金相顯微鏡下觀察，會發現短路熔珠的金相組織有很多是胞狀晶和柱狀晶[2]。短路熔珠金相組織的內部會出現很多孔洞，這是因為在發生短路的瞬間，金屬在熔化狀態吸收了部分空氣，空氣還沒有來得及釋放出去，在過冷度下就已經凝固，所以把空氣留在了熔珠內部。發生短路的瞬時溫度在短路點可達到2 000～3 000 ℃。20世紀80年代以來，我國就有了比較全面可靠的短路熔珠鑒定方法。目前，剩磁法、宏觀法、金相法、成分分析法、微觀形貌法和模擬試驗法這6種鑒定方法是沈陽消防科學研究所提出的具有代表性的鑒定技術方法。

在短路熔痕方面，國內學者的研究范圍較廣，山東省科學院徐娜等通過分析導線在火災中形成熔痕的過程，歸納了火燒熔痕、短路熔痕和過負荷熔痕的宏、微觀特征，據此可分析電氣火災事故的成因，并提出了用金相分析并結合現場勘驗的方法來正確鑒定火災原因[3]；廣西南寧市消防支隊覃萍用KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡，著重研究了鋁導線熔痕在微觀顯微下的形貌特征，并研究了鋁導線在一次短路、二次短路和火燒情況下的熔痕特點和不同，清晰記錄了不同試驗條件下鋁導線熔珠的微觀形貌，以此作為鑒別發生短路原因的依據[4]；中山大學善莫軍等對真實火場中的二次短路熔珠進行了具體研究分析，觀察了二次短路熔珠的外觀形貌和金相組織，討論了二次短路形成的原因和環境因素的影響，給出電氣火災二次短路熔痕物證鑒定中應注意的問題和要點[5]；中山大學工學院葉海倫等利用Image-Pro Plus軟件提取了熔痕孔洞的多個參數，分析不同燃燒物、時間、溫度和孔洞特征參數之間的相關性[6]。國外學者對短路熔痕的研究方法主要有宏觀分析法、熔痕孔洞分析法、碳化物殘留分析法、表面分析法等[7-8]。從現有的文獻資料看，我國科研人員對短路熔痕鑒定方法的研究較多，而對短路熔痕形成過程分析的研究則較少。

高速攝像技術最早在20世紀70年代出現并發展，是一種特殊的瞬發高速過程的記錄測試手段，可以十分準確地記錄大量時空信息，為高速運動的研究和瞬間的現象研究提供了技術支撐，具有拍攝信息量大、速度快、精度高的特點[9]。從目前國際研究狀態來看，高速攝像技術主要被應用于原子能研究、物理和化學光電工程研究、燃燒和流體研究、天體物理學研究、爆破工程、飛行及武器研究和材料學研究等領域。在材料科學研究方面，該技術還未被完全利用，只是處于初級階段的材料高速變化行為研究中，研究內容主要有電接觸基本行為和過程、電弧焊接過程、粉末冶金中的霧化制粉過程等[10]。

采用高速攝像技術和圖像處理技術抓拍鋁導線瞬時短路現象，清晰還原短路熔痕的形成過程，觀察在不同試驗條件下短路點的熔化形態、熔珠的形成過程和噴濺方式，分析不同試驗條件對熔珠形成過程及最終形態的影響。對深入了解短路熔珠的形成原因，促進短路熔珠的學術研究和火災調查理論的發展具有一定意義。

1 試驗設計

1.1 試驗材料及儀器

試驗材料為：1.5 mm2和2.5 mm2線徑的BLV鋁導線。試驗儀器有：VRI-Phantom高速攝像機；筆記本電腦；電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置；微距鏡頭；酒精燈。

1.2 試驗步驟

本試驗共設計3種可控試驗條件，第一個條件是短路方式，分為一次短路和二次短路；第二個條件是鋁導線的線徑，分為1.5 mm2和2.5 mm2；第三個條件是短路電流值，分為50 A、90 A、120 A、160 A。共進行16組試驗，在不同試驗條件下對鋁導線進行短路，用高速攝像機拍攝，再進行圖像處理和數據記錄，最后經過分析比較得出結論。

具體操作流程為：(1)把微距鏡頭和高速攝像機連接，并把高速攝像機固定在三腳架上，確保穩定后通電開機。(2)用數據線把高速攝像機和電腦連接，在電腦中打開Pcc軟件，在軟件Camera一欄選擇此臺設備。(3)調整拍攝分辨率為2048×1152，把拍攝速率調至最低，曝光時間調至最高。(4)調整高速攝像機的位置，對準短路位置，調焦。(5)調整合適的拍攝速率和曝光時間。進行一次短路試驗時拍攝速率調至500，曝光時間調至300。進行二次短路試驗時拍攝速率調至500，曝光時間調至100。(6)按下Capture鍵，此時Capture按鈕變為Abort Recording，同時Trigger按鈕變為綠色，此時高速攝像機處于掃描工作狀態。(7)在電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置上進行一次短路或二次短路操作。(8)短路現象發生時，點擊Trigger按鈕即可拍攝，拍攝完成后兩個按鈕回到初始狀態。(9)點擊Play播放拍攝的視頻，可查看幀數、拍攝時間、拍攝速率和曝光時間等參數。(10)觀察試驗現象，收集試驗數據，進行綜合分析討論。

2 試驗結果

2.1 兩組典型鋁導線的短路現象

對線徑為1.5 mm2的鋁導線在50 A電流值下進行一次短路，用高速攝像機抓拍，如圖1所示。可以發現：在兩股導線觸碰的同時，導線發生短路現象，在短路點噴出大量熔珠，熔珠向四周飛濺，量多且密集，隨后熔珠逐漸消失。在兩股導線要分離的

圖1 1.5 mm2鋁導線在50 A電流值下一次短路

時候，短路點突然出現明顯的電弧，由于電弧能量較高產生強光，使高速攝像機曝光量過大所以出現一團模糊的光亮。兩根導線分開一定的距離后，電弧突然消失，高速攝像機曝光量又恢復到正常狀態，兩根導線之間出現一團類似于火焰的流體，最后逐漸消失，導線兩端并未形成明顯的熔珠。

對線徑為1.5 mm2的鋁導線在120 A電流值下進行二次短路，用高速攝像機抓拍，如圖2所示。可以發現：在未發生二次短路之前，火勢在持續穩定燃燒。短路發生時，短路點先噴濺出許多熔珠，然后對燃燒現象產生影響，在短路點出現一個小火球迅速向四周擴散，小火球擴散的同時發生很短的電弧作用。電弧消失后火球繼續擴散，使火焰明顯增大，出現類似于小爆炸的現象，同時大量熔珠在四周擴散開來。最后熔珠噴濺完畢，火焰恢復穩定，但是短路后的火焰強度明顯高于短路前的強度。

圖2 1.5 mm2鋁導線在120 A電流值下二次短路

經過對16組試驗現象的觀察，發現2.5 mm2線徑鋁導線比1.5 mm2線徑鋁導線的短路現象更明顯；電流對短路現象的影響較大，電流越大，短路產生的熔珠數量越多，熔珠的噴濺范圍越廣，電弧的強度越大，短路現象越明顯；在導線接觸之前產生小而且不穩定的電弧，導線接觸后分離時產生大電弧。通過對試驗現象的觀察，整個短路過程可以分為5個階段，分別是高溫熔融階段、熔珠噴濺階段、電弧產生階段、氧化燃燒階段和凝固結晶階段。高溫熔融階段是短路的開始，可以觀察到在導線接觸點產生不穩定的小電弧，此時導線已經通電發熱；隨后看到在短路點產生許多明亮的熔珠，隨著時間的推移向四周散開，此階段是熔珠噴濺階段；第三階段是電弧產生階段，在兩根導線斷開的時候，短路點出現強光，使高速攝像機過曝；第四階段是氧化燃燒階段，電弧消失后，在導線之間產生一團類似于火焰的流體，在極短時間內消失不見；最后一個階段是凝固結晶階段，可以看到導線兩端形成熾熱的熔珠，然后不斷凝固降溫，最終形成鑄狀形態組織。

2.2 不同試驗條件下的短路時間

利用高速攝像機記錄不同試驗條件下鋁導線的短路時間，見表1。由表可知：兩種線徑的鋁導線不管是一次短路還是二次短路，短路時間都受短路電流值的影響，短路時間隨短路電流值的增大有變短的趨勢。還可以清楚地發現，在相同線徑、相同電流值條件下，一次短路的短路時間大于二次短路的短路時間。

表1 短路時間統計(ms)

從試驗數據來看，在發生短路時，通過導線的電流值突然增大，導線兩端的電位差急劇下降；短路電流較小時，短路過程中電壓和電流值都保持相對穩定的狀態，但是短路電流較大時，短路過程中電壓和電流值都不穩定，電流值隨著短路時間的延長降低，電壓值隨著短路時間的延長升高；對于相同直徑的鋁導線，基本上短路電流越大，短路時間越短。

2.3 不同短路電流值下熔珠的形態

從圖3可以看出，1.5 mm2線徑鋁導線在短路電流為50 A條件下，在導線短路點處只能形成短路熔痕，沒有形成短路熔珠；在短路電流為90 A條件下，短路點處形成較小的短路熔珠，從外表面觀察發現熔珠部分表面有金屬光澤，存在少量孔洞；在短路電流為120 A條件下，短路點形成明顯的熔珠，熔珠表面凹凸不平，有少量孔洞，表面無金屬光澤；在短路電流為160 A的條件下，短路點形成較大的熔珠，熔珠表面凹凸不平，有少量孔洞，表面無金屬光澤且呈青色。

圖3 不同短路電流值下短路熔珠的形態

3 分析與討論

3.1 鋁導線短路過程的分析討論

高溫熔融階段：在短路剛開始時，觀察到在短路點出現不穩定的小電弧，這是因為兩根導線還沒有接觸，或者由于導線表面凹凸不平導致接觸不完全，在導線還有細小間隙的情況下，導線兩端的電子外逸使空氣發生電離產生電弧。產生電弧的同時短路已經開始，導線兩端在電流的熱效應和電弧的雙重作用下溫度急劇上升，達到鋁的熔點使短路點液化熔融。

熔珠噴濺階段：短路點的高溫作用使導線液化熔融，電弧中間存在強大的電子流，熔融的導線在電子流的轟擊作用下向四周擴散開來，形成耀眼的噴濺熔珠。因此，熔珠產生的數量和噴濺的范圍都與短路電流的大小有關，電流越大，電子流的轟擊作用越強，熔珠的數量越多，噴濺范圍越廣。

電弧產生階段：在導線分離時，短路點產生強大的電弧，發出刺眼的白光。這是因為在導線接觸時導線中通過穩定的大電流，當導線間出現細小的間隙時大電流就會電離空氣形成一股強大的離子流，發出刺眼的白光，同時也具有極高的溫度。

氧化燃燒階段：電弧作用產生的溫度高達幾千甚至幾萬攝氏度，超過了鋁的沸點，鋁開始由熔融態變為氣態，這時會在導線兩端發生氣相燃燒，能清楚地觀察到燃燒的“火焰”，在火焰周圍還有白色的氧化燃燒產物。

凝固結晶階段：電弧消失后，短路就已經結束，這時導線短路點處的熔融液態鋁會在極大的過冷度下凝固結晶，形成鑄態的短路熔珠。由于一次與二次短路熔珠的降溫速率不同，其微觀晶粒的生長方式和速率也不同，因此可以通過觀察熔珠的金相組織來判斷其短路方式。

3.2 鋁導線短路電流與短路時間關系的分析討論

由試驗結果發現，對于相同直徑的鋁導線，無論是一次短路還是二次短路，短路電流越大，短路時間越短。(1)從鋁的自身性質來看，鋁的熔點為660 ℃，沸點為2 327 ℃，密度為2.7 g·cm-3，是銀白色金屬，密度小，導電性能好。與銅相比，雖然鋁的導電性不如銅，但是銅的密度大于鋁的密度，如果輸送相同電量，所需鋁導線的質量僅為銅導線的一半。鋁還具有良好的延展性、導熱性、高反射性和耐氧化性，在生活中鋁被廣泛使用，通常被制成帶狀、絲狀、片狀、棒狀、箔狀和粉狀。(2)從短路的本質來看，短路是指電路或電路的一部分被短接，由于導線電阻很小，所以使通過導線的電流值很大，導線的溫度升高。短路是在瞬間完成的，短路熔珠(熔痕)是在極短時間內形成的，導線在距離短路點1 cm的部分會產生比較高的溫度，此部分的導線溫度會比其他部位溫度高出很多，因此在短路點會形成一個過渡區，過渡區兩邊分別是熔化區和非熔化區。短路時短路點的瞬間溫度能達到2 000～3 000 ℃，在短路點形成一個小熔池，然后凝固成鑄態組織，在這個過程中由于短路點的高能量作用，會使許多熔融的鋁噴濺出來形成短路熔珠。短路時間與短路點鋁導線的熔化速度有關，鋁導線熔化速度越快，兩根導線接觸時間越短，即短路時間越短；鋁導線熔化速度越慢，兩根導線接觸時間越長，即短路時間越長。

3.3 鋁導線短路過程中燃燒效應的分析討論

在一次短路高速影像中可以發現，在短路結束后，導線的短路末端會出現類似于火焰的流體現象，流體發光發熱且周圍有煙霧產生，如圖4所示。

鋁在空氣中不能燃燒，但在純氧中可燃，燃燒現象劇烈，發出耀眼白光，生成白色固體Al2O3。Law建立了Al顆粒擴散蒸氣相燃燒模型，是第一個具有完整意義的燃燒模型，其物理意義如圖5所示，在火焰區內鋁蒸氣和氧化劑發生氧化反應，以火焰和空氣的相界面為界限，燃燒產物向鋁顆粒和外界擴散[11]。南京理工大學的田入園等人對鋁顆粒進行了燃燒試驗及理論研究，研究表明鋁的燃燒是一個十分復雜的過程，可以類比于液滴的蒸發燃燒，其燃燒的狀態受燃料控制和氧化劑擴散控制，但鋁的燃燒又與液滴蒸發燃燒有所區別[12]。

圖4 短路過程中的燃燒效應

圖5 鋁的燃燒模型

短路過程中鋁導線的燃燒效應可以用鋁的氣相燃燒理論來解釋。在短路剛開始時，短路點溫度升高，瞬間達到鋁的熔點并發生熔珠噴濺現象。在短路結束時，導線兩端產生電弧，兩極間氣體或金屬蒸氣可持續通過較強的電流，并發出強烈光輝，產生幾千甚至上萬攝氏度的高溫。鋁的沸點是2 327 ℃，在電弧作用下鋁迅速汽化，并在高溫作用下發生氣相燃燒，所以在高速影像中可觀察到一團黃色火焰，在火焰周圍的白色煙霧就是氧化燃燒產物Al2O3。

4 結論與展望

鋁導線短路是一個復雜的過程，短路時鋁導線在接觸前產生較小電弧，導線分離時產生較大電弧。一次與二次短路現象有所不同，這是因為二次短路過程中有火焰的影響，二次短路與一次短路相比較，二次短路中熔珠數量少，而且熔珠噴濺具有方向性，這與導線的接觸方式和絕緣層的燒損程度有關。經過對試驗現象的分析討論，主要得到以下結論：(1)鋁導線在發生短路時主要歷經5個階段，分別是高溫熔融階段、熔珠噴濺階段、電弧產生階段、氧化燃燒階段和凝固結晶階段。(2)短路是一個復雜的過程，整個短路過程經歷的時間與電流值有關。短路電流越大，短路時間越短；短路電流越小，短路時間越長。(3)二次短路會對初始燃燒狀態造成影響，使局部火焰增大甚至出現爆燃現象。(4)鋁導線在短路過程中不僅存在物理效應，而且存在化學燃燒效應。

本文試驗研究把高速攝像技術和短路研究聯系起來，在初步的試驗探索中發現了一些新的現象和內容，對短路這個瞬時過程有了清晰的了解，也對這些現象發生的原因進行了理論論證。在以后的短路研究中，可以使用其他研究參數更加全面詳細地對短路這一過程進行分析，比如短路點的瞬時溫度、熔珠的噴濺范圍、電弧持續時間等，還可以通過改變試驗條件來研究這些參數的變化情況，尋找規律，總結經驗。