ZR-BV單芯銅線過電流故障電弧熔痕特征研究*

王 博，李 陽，司永軒，徐學巖，榮彥超

(1.中國人民警察大學 研究生部三隊，河北 廊坊 065000；2.中國人民警察大學 火災物證鑒定中心，河北 廊坊 065000；3.開封市消防救援支隊，河南 開封 475000；4.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

過電流故障是引發火災的常見故障類型，具有很強的引燃能力[1]，短路、過負荷、中性線浮動等原發性故障多以過電流的形式表現出來，因此過電流故障在火場中十分常見。針對過電流故障，國內外學者開展了大量研究：Choi等[2]用高速攝像機研究了無絕緣單芯銅導線過電流熔斷點處電弧熔痕的特征，發現過電流故障導線熔斷時會產生斷路電弧；Babrauskas[3]對過電流故障導線的引燃能力進行了研究，并將其編入美國消防工程手冊(SFPE)的相關章節；張金專等[4]研究了過電流時間和倍數對銅導線本體金相組織的影響；Fujita[5-6]研究了微重力條件下，導線過電流故障絕緣層的燃燒特征，主要針對于航空航天器；Wright等[7]對單芯銅導線與多股銅導線在過電流故障作用下形成痕跡的宏觀特征進行了研究，認為2種導線存在顯著差異；何豪等[8-9]對過電流聚氯乙烯導線絕緣層燃燒時火焰蔓延和絕緣的滴落行為進行了研究；Orcajo等[10]對過電流故障機理進行研究，表明在國外110 V供電系統條件下，過電流故障通常作為原發性故障導致火災發生。綜上所述，目前對過電流導線的研究主要集中在過電流故障的引發原因、引燃能力、絕緣層的燃燒特征，但對過電流故障導線熔斷痕跡宏觀特征及金相組織的系統研究較少。

本文將不同電流值加載于2.5 mm2的ZR-BV單芯銅線，對導線過電流故障時的視頻影像進行截幀處理，分析其高速影像，利用體視顯微鏡對形成痕跡的宏觀特征進行觀察，并利用金相法對其金相組織進行分析，為準確識別火場中的過電流故障提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗耗材

1)銅導線：2.5 mm2ZR-BV單芯銅線(正泰電線電纜)，額定電流Ie=34 A，導線規格見表1。

表1 導線規格參數Table 1 Specification parameters of wire

2)浸蝕劑：氯化鐵鹽酸水溶液(5 g氯化鐵、50 mL鹽酸、100 mL水)。

3)其他材料：自凝牙托粉；自凝牙托水；無水乙醇；120#,2 000#,3 000#砂紙。

1.2 儀器設備

1)電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置：該裝置為中國人民警察大學自主研發裝置，可采集通過導線的電流、電壓，采集頻率為1.5×104Hz；可控電壓為0～660 V，采集精度0.15 V；可控電流為0～300 A，采集精度0.1 A，用于過電流的發生裝置。

2)Phantom VEO640高速攝像機：分辨率為1 920×1 020，采樣率為10 pps，曝光時間為2 000 μs，用于記錄過電流故障導線變化過程中的瞬間現象。

3)Carl Zeiss Observer A1m型金相顯微鏡：用于觀察過電流電弧熔斷痕橫截面的典型金相組織。

1.3 樣品制備

實驗場景示意如圖1所示。將2.5 mm2ZR-BV單芯銅線截成500 mm，剝去兩端約30 mm絕緣層，將導線連接至電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置，分別通過2.5Ie,3Ie,3.5Ie,4Ie,4.5Ie,5Ie,5.5Ie,6Ie的電流，每種電流條件下進行5次平行試驗，分別用1～5號表示。用高速影像捕捉過電流導線故障過程中的斷路電弧發生點，精確定位電弧熔斷痕的位置。

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 試驗結果

2.1 過電流導線電弧熔痕形成過程

當導線通過電流I≤3.5Ie時，導線不會熔斷。通電后發生的變化依次為：導線發熱變紅、絕緣層熱解、發煙，導線通過3.5Ie時的變化過程如圖2所示。

圖2 3.5Ie過電流導線發熱變化過程Fig.2 Exothermic changing process of 3.5Ie over current wire

由圖2可知，隨電流值升高，過電流導線出現發煙現象及達到穩定狀態所需時間變短，當通過電流分別為2.5Ie，3Ie，3.5Ie時，導線從通過電流開始到出現發煙現象的平均時間分別為108.2,58.6,40.0 s，且在通電20 min內，過電流導線均未發生熔斷現象，不同電流時導線熱解發煙及穩定時間見表2～3。

當導線通過電流4Ie≤I≤6Ie時，導線會發生熔斷，產生斷路電弧，并且伴隨著明顯的噴濺現象。實驗過程中導線依次出現發熱變紅、絕緣層熱解發煙、導線熔斷、產生斷路電弧、斷路電弧引燃周圍可燃熱分解氣體[11]、火焰從導線電弧熔斷點處向兩側蔓延等現象，導線通過6Ie電流時的發熱變化及熔斷過程如圖3所示，導線熔斷過程中的斷路電弧如圖4所示。

隨著電流值的升高，過電流導線從開始通電到發煙和熔斷的平均時間變短，當I=4Ie時，其平均發煙和熔斷時間為27.0，65.6 s；當I=4.5Ie時為21.0，47.2 s；當I=5Ie時為15.6，35.2 s；當I=5.5Ie時為11.4，24.8 s；當I=6Ie時為10.2，21.6 s。通過不同電流時導線熱解發煙及熔斷時間見表4～5，其變化趨勢如圖5所示。

表2 2.5Ie～3.5Ie導線熱解發煙時間Table 2 Pyrolysis and smoke generation time of 2.5Ie～3.5Ie wire s

表3 2.5Ie～3.5Ie導線穩定時間Table 3 Stability time of 2.5Ie～3.5Ie wire s

圖3 6Ie導線發熱變化及熔斷過程Fig.3 Exothermic changing and fusing processes of 6Ie wire

圖4 導線熔斷過程中的斷路電弧Fig.4 Open-circuit arc in fusing process of wire

通過對無絕緣層導線的高速影像分析可知，通過6Ie電流后，導線首先發熱變亮，之后導線熔斷，產生斷路電弧，隨后導線會在重力作用下出現二次折斷。因此，過電流故障導線在熔斷時會出現多個斷點，但僅有1處斷點是高溫電弧參與形成的，6Ie無絕緣層導線發熱及熔斷過程如圖6所示。

表4 4Ie～6Ie導線熱解發煙時間Table 4 Pyrolysis and smoke generation time of 4Ie～6Ie wire s

導線在發生過電流故障熔斷時，會形成電弧斷點熔痕、非電弧斷點熔痕、結疤熔痕和噴濺熔痕等多種形貌，如圖7所示。通過分析有絕緣層導線的高速影像發現，非電弧熔痕以及結疤熔痕均由后續火焰燃燒形成，在此過程中并無電弧參與作用，有絕緣導線熔斷及燃燒過程如圖8所示。

表5 4Ie～6Ie導線熔斷時間Table 5 Fusing time of 4Ie～6Ie wire s

圖5 不同電流時導線熱解發煙及熔斷時間Fig.5 Pyrolysis and smoke generation time and fusing time of wire under different currents

圖6 6Ie無絕緣層導線發熱及熔斷過程Fig.6 Exothermic and fusing processes of 6Ie wire without insulation layer

圖7 4.5Ie過電流導線典型熔痕宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of typical melting trace for 4.5Ie over current wire

圖8 PVC導線熔斷及燃燒過程Fig.8 Fusing and combustion processes of PVC wire

2.2 電弧斷點熔痕的分類及其宏觀特征

通過對發生熔斷的5個不同電流值共25根導線進行熔痕形狀的統計分析發現，過電流電弧斷點熔痕共有5類典型的宏觀形貌，如圖9所示。電弧斷點熔痕宏觀形貌統計見表6。

圖9 各類電弧熔斷痕跡宏觀形貌Fig.9 Macroscopic morphology of melting trace for various arc

由表6可知，當I=4Ie時，半珠狀熔痕出現的概率最大為50%；當I=4.5Ie時，珠狀熔痕出現的概率最大為50%；當I=5.5Ie時，尖狀和不規則狀熔痕出現的概率最大為30%；當I=5.5Ie時，無發散狀熔痕出現；當I=6Ie時，珠狀熔痕出現的概率最大為50%。

2.3 過電流斷路電弧所致熔痕的金相組織特征

在對不同電流值時各類電弧斷點熔痕的金相組織進行觀察發現，發散狀和尖狀斷點熔痕的金相組織中雖然均有枝晶偏析組織出現，但出現位置各異，不具有規律性，故此處重點對珠狀、半珠狀以及不規則狀斷點熔痕的金相組織進行分析。根據珠狀、半珠狀、不規則狀電弧斷點熔痕金相組織中晶粒大小、類型及所處位置的不同，可將其分為近電弧區(A區)、向內延伸區(B區)、中心區(C區)以及近本體區(D區)4個不同的區域。

2.3.1 斷路電弧所致珠狀斷點熔痕金相組織特征

珠狀斷點熔痕如圖10所示。由圖10可知，4Ie過電流珠狀斷點熔痕A區晶粒以細小的卵形樹枝晶為主；B區晶粒以卵形樹枝狀晶粒和柱狀樹枝狀晶粒為主，晶粒較A區明顯長大，且枝晶臂生長方向多樣；C區呈更加明顯的枝晶偏析組織；D區晶粒類型與C區相似，但晶粒生長方向不具有明顯方向性，并且其與線芯本體存在明顯界限。

表6 電弧斷點熔痕宏觀形貌統計Table 6 Statistics on macroscopic morphology of melting trace for arc breakpoint

圖10 珠狀斷點熔痕金相組織Fig.10 Metallurgical structures of melting trace for bead breakpoint

相較于4Ie珠狀斷點熔痕的金相組織，6Ie熔痕內枝晶偏析組織分布范圍明顯擴大，幾乎不再出現等軸狀組織。

2.3.2 斷路電弧所致半珠狀斷點熔痕金相組織特征

半珠狀斷點熔痕金相組織如圖11所示。由圖11可知，4Ie半球狀斷點熔痕中的A區分布少量細小的卵形樹枝狀晶粒，并且其與本體交匯處存在過渡區；B區晶粒多為明顯的枝晶偏析組織；C區呈更加明顯的枝晶偏析組織，晶粒較B區更加粗大；D區晶粒類型與B區相似，晶粒生長方向具有多樣性，且D區與線芯本體間存在一定的過渡區域，過渡區域晶粒大小與本體組織較為相近。

6Ie半珠狀熔痕金相組織的晶粒變化規律與4Ie時基本一致，但6Ie熔痕內存在氣孔割裂組織生長的現象。此外6Ie半珠狀熔痕邊緣的縮松組織面積明顯大于4Ie時，且6Ie熔痕內枝晶偏析組織分布范圍明顯擴大。

圖11 半珠狀斷點熔痕金相組織Fig.11 Metallurgical structures of melting trace for semi-bead breakpoint

2.3.3 斷路電弧所致不規則斷點熔痕金相組織特征

不規則斷點熔痕金相組織如圖12所示。由圖12可知，4Ie過電流珠狀不規則斷點熔痕A區的晶粒以枝晶偏析組織為主，晶粒間隙夾雜縮松[12]結構；B區晶粒與A區晶粒類似，枝晶干生長方向多樣；C區呈更加明顯的枝晶偏析組織，晶粒生長無方向性；D區晶粒類型與C區相似，并與C區間無明顯分界線。

圖12 不規則斷點熔痕金相組織Fig.12 Metallurgical structures of melting trace for irregular breakpoint

相較于4Ie不規則斷點熔痕的金相組織，6Ie的C區與D區中均分布大量不規則孔洞，孔洞割裂晶粒組織生長現象極為明顯，并且其痕內枝晶偏析組織分布范圍明顯擴大。

3 分析與討論

3.1 過電流故障導線斷路電弧形成過程的理論分析

在導線通電的過程中，導線線芯作為唯一的熱源，其產生的熱量不僅會使自身的溫度升高，還會使線芯外部的絕緣層以及周圍空氣的溫度升高[13-14]。在導線未達到平衡溫度時，單位長度上導線的導熱微分方程可表示為：

(1)

(2)

式中：Ta為室溫，℃；A，B為常數。當通電時間趨于無窮大時，可求出導線的平衡溫度：

(3)

結合銅線芯的熱物性參數，將I=4Ie代入式(3)進行計算，發現此時平衡溫度遠大于銅的熔點。即I=4Ie時，由于銅線芯放出的熱量大于向絕緣層和空氣散失的熱量，其溫度會不斷升高，最終銅線芯溫度會超過自身熔點發生熔斷，使回路斷開，產生斷路電弧。

3.2 過電流電弧熔痕宏觀特征形成原因分析

美國的火災和爆炸事故調查指南(NFPA 921)中將過電流故障熔痕和火燒熔痕統稱為Globules，即非電弧熔痕。本文通過實驗發現，當過電流導線通過電流I≥4Ie發生熔斷時，導線線芯的溫度接近、甚至超過銅的熔點，故在其熔斷時，線芯整體已經出現軟化甚至液化現象，其與短路熔痕產生時所受到的單點、局部熱作用差異很大。而火燒熔痕形成時，熔痕及熔痕周邊的熔化區也會在火焰作用下出現軟化甚至液化，其與過電流故障熔痕形成時大面積導體軟化、液化的現象類似，所以過電流故障電弧熔痕與火燒熔痕十分類似。

但是過電流電弧斷點熔痕在形成過程中還會產生斷路電弧，斷路電弧會急速加熱周圍的氣體，形成沖擊波，使熔化的液態金屬向四處飛濺，因此電弧斷點熔痕會出現與火燒熔痕不同的發散狀斷點熔痕。

3.3 過電流電弧熔痕枝晶偏析組織出現原因分析

枝晶偏析是指由于晶體優先沿過冷度較大的方向生長，而使固溶體晶粒內部出現化學成分不均勻的現象。

當線芯吸收斷路電弧釋放出的熱量后，固態金屬溫度升高，銅原子振動能量增加，振動頻率及振幅增大。當原子吸熱后獲得動能大于原子結合額鍵能時，原子便會越過之前的勢壘，進入新的勢阱中。原子重新進入新的平衡位置，改變晶格常數，晶體體積增大。當自身能量超過鍵能的原子數量足夠時，晶界處的原子率先脫離晶粒表面進入相鄰晶粒，晶粒不能繼續保持原有形態，發生相對流動，固態金屬發生熔化。

當金屬發生熔化后，在空氣對流冷卻作用下，液態金屬溫度以較快的速度降低到金屬的熔點Tm，形成固-液界面，界面向液相推移，發生凝固。由于固-液界面前方的液態金屬溫度低于界面溫度Ti，液相中的溫度梯度Gl<0。則固-液界面前局部液相溫度為：

Ti(x)=Ti-|Gl|x

(4)

過冷度為：

ΔTl=Tm-Tl(x)=Tm-Tl+|Gl|x=ΔTi+|Gl|x

(5)

式中：Tm為金屬熔點，K；Gl為液相中的溫度梯度，K/m;x為與固-液界面之間的距離，m。

由式(4)可知，離固-液界面距離越遠的液態金屬過冷度越大，而樹枝狀晶粒沿負溫度梯度生長[15]。因此，在此熱過冷度較大的條件下，熔痕金相組織的晶粒主要以枝晶偏析組織為主。

4 結論

1)當I≥4Ie時，過電流導線會發生熔斷，斷路電弧將引燃熱分解后的絕緣熱解氣體，形成導線整體的燃燒；而當I≤3.5Ie時，導線僅線芯發熱，不會熔斷，二者引發火災的形式不同。

2)過電流導線電弧熔斷痕與火燒熔痕的宏觀特征較為相似，但噴濺熔痕和發散狀熔痕是過電流導線所特有的，此為現場判斷發生過電流故障的關鍵痕跡之一。

3)枝晶偏析組織是過電流電弧熔斷痕的典型組織，并且隨著電流值的升高，熔痕內呈枝晶偏析組織分布的范圍明顯擴大，幾乎不再出現等軸狀組織。