剩磁測量技術在火災調查中的應用

徐剛

摘要：本文根據剩磁形成的機理，提出剩磁的大小由斷電瞬間的電參數決定。僅靠剩磁大小判斷是否短路是不嚴謹的。文章介紹了導線不同的懸掛方式對釘子剩磁的影響，提出用切割法測量穿線鐵管剩磁，是對剩磁測量技術的拓寬。文章分析了目前普遍采用的表磁替代剩磁的方法存在弊端，需要研發真正的剩磁測量儀器。

關鍵詞：火調;剩磁;表磁;切割法

1 引言

剩磁法在雷電火災的勘驗中起到了很大作用，成功案例不少。但在電氣線路故障引發的火災中，借助剩磁測量證明線路故障的案例卻很少。

剩磁法在電氣線路火災的現場勘驗上，使用頻率不高的原因有二：一是剩磁測量技術還沒有被普遍掌握。二是表磁測量中，數據離散帶來的不確定因素影響了線路故障的準確判斷。

為了使剩磁法適應電氣線路火災調查的需要，了解測量原理，掌握測量技術，提高測量數據的準確度顯得十分重要。

2 剩磁形成機理

通電導體在周圍的空間形成磁場。磁場內某一點的磁場強度與電流成正比，與該點到導線的距離成反比。

磁場內的鐵磁性物體會被磁化而成為磁體。磁體的磁感應強度隨磁場強度的增大而增大。磁場強度增大到一定程度之后，磁體的磁感應強度不再隨磁場強度的增大而增大，此時的磁體達到了磁飽和狀態。

在磁飽和狀態時突然斷電，導線電流趨向于零。此時磁體仍保留一定的磁感應強度，而不是降為零。這就形成了剩磁。

導線通過交流電時，交流電的電流瞬時值是按正弦曲線變化的，磁體會被反復的磁化和消磁，磁感應強度變化曲線形成了閉合的回線，稱作磁滯回線。在磁滯回線的不同點斷電，釘子剩磁是不同的。短路后斷電時機是隨機的，不確定的。釘子上的剩磁大小和磁極方向也是不確定的。短路電流也許很大，斷電后的剩磁不一定很大，甚至可能為零。假如全線路的釘子上的剩磁全部為零時，反倒可以認定該電路發生了短路故障。因為只有短路的強大交變磁場才可能消除沿線釘子上的全部歷史遺留剩磁。而強大的短路電流卻在磁滯回線的磁感應強度為零時斷電，導致全線釘子上的剰磁為零。因此，單憑剩磁大小判斷電線是否發生短路是不科學、不嚴謹的。

3 釘子上的剩磁與導線懸掛方式相關

3.1兩線分掛

單相電源的零線和火線分別掛在上下兩排釘子上時，兩排釘子剩磁絕對值相近而極性相反。

3.2兩線同掛

單相電源的零線和火線同掛一根釘子上時，由于兩根線上的電流方向相反，產生的磁感線互相抵消，對釘子的磁化能力減弱，釘子上測出的較大剩磁基本上是歷史遺留剩磁，沒有證據力。

3.3釘子處于絞合線中間

零線和火線組成的雙絞線或平行護套線，釘子在兩根線中間釘在墻上時，釘子兩側電線上的電流方向相反，等效于一個螺線管，對釘子的磁化能力增強，釘子剩磁較大。

3.4電線在釘子上纏繞

電線在釘子上纏繞一圈時，相當于通電螺線管，釘子處在螺線管中磁感線最密集的地方，對釘子的磁化作用大，釘子剩磁較大。

3.5導線與釘子距離

釘子與導線的距離越大，剩磁越小，剩磁的證據力也越小。距導線15cm以上的釘子剩磁失去取證價值。在距離導線較遠的釘子上檢測到較大的剩磁，一定是歷史遺留剩磁，沒有證據力。出了雷電火災可以采用盲測以外，電氣線路火災一定要在緊貼線路的釘子上測量。

4 剩磁的測量方法

4.1測量儀器

特斯拉儀或高斯計。量程：0-100mT 。自動顯示N、S極性。

4.2釘子剩磁測量

導線掛在釘子上，釘子的軸向與導線的環形磁感線是相切的，釘尖和釘帽是剩磁的兩個磁極。釘尖釘入墻內不方便測量，沒有提取之前先測量釘帽。在釘帽的外沿或釘帽的平頂處尋找剩磁最大值。

常用的釘子主要分為高碳鋼釘和軟鐵釘，在現場測量時要注意區分。它們在相同的磁場強度下剩磁是不同的，鋼釘剩磁大，軟鐵釘剩磁小，它們的剩磁差有時可達十多倍甚至幾十倍。

鋼釘剩磁大。但是，它的歷史遺留剩磁有時會造成干擾。當短路電流產生的磁場強度不能對遺留剩磁徹底消磁時，同一條線路上，有的釘子的剩磁會明顯大于大部分釘子的剰磁。所以，在剩磁測量的數據集群中要忽略這些最高值，而不是采信最高值。

軟鐵釘的剩磁較小。但是，它沒有歷史遺留剩磁的干擾。

4.3穿線鐵管剩磁的測量

對鐵管內部磁感應強度的測量，沒有見過相關資料介紹。

4.3.1 鐵管外部剩磁與內部導線電流無關

有人測量鐵管兩端，在管頭的斷面處或尖突處，確實測出了鐵管橫向或縱向的剩磁。并以此判斷穿管電線發生了短路。這個測量方法和得出的結論都是錯誤的。測得的剩磁不是內部導線短路大電流形成的，很可能是歷史遺留剩磁，而且是外部磁場形成。判斷雷電是否發生，可以采用此法。但判斷內部導線是否短路就不能如此簡單了。

4.3.2 鐵管外部有剩磁證明內部導線沒有發生短路

鐵管外部測出較大剩磁，恰恰說明了管內電線沒有發生短路故障。假設管內電線發生了短路故障，管內電流的強大磁場會把外部剩磁消退，鐵管內部的磁疇，將重新按照內部導線大電流產生的磁感線方向排序，對外就不顯磁性了。

4.3.3鐵管外面的釘子上測不到內部導線短路形成的剩磁

鐵管對管內磁場起到屏蔽作用，電線短路大電流產生的磁感線都在鐵管壁內部形成了閉合環路，向外泄露極少，不會對鐵管外面的釘子產生磁化，懸掛鐵管的釘子上測不到管內導線短路造成的剩磁。

4.3.4猜測：鐵管壁一定留有與電流相關的磁信息

短路大電流產生的磁感線都進入了鐵管壁，形成了閉合環路，那么，鐵管壁內一定會保留短路電流最后的信息，只是對外不顯磁性而已。閉合的環形鐵管壁內，能長期保存剩磁，受外界影響很小，不會輕易消失。

4.3.5切割法測量鐵管內部剩磁

基于上述的猜測，我們通過實驗，摸索出一種測量鐵管剩磁的全新方法，撲捉到了鐵管壁上與短路電流相關的磁信息。

把現場提取的穿線鐵管用角磨機切割約5—10mm的管頭一段，得到一個閉合小鐵環。把小鐵環切出一個開口，形成一個非閉合鐵環，在開口處測到的剩磁與導線電流相關。

切割要領：角磨機割片要用超薄型，厚度不超過1.2mm。采用間歇切割方式，每次割片接觸工件時間不超過一秒。先在切口處淋水便于散熱，再進行切割，再淋水，直到切割完成。這樣切割的目的是不使切割部件發熱，最大限度的保留磁化信息，所以切割越慢越好。切割后要用非鐵磁性工具，如竹簽，清理掉開口處的鐵屑就可以測量了。如嫌鐵環開口縫隙太小測量不方便，不可用手掰大或用工具撬大，可以用上述切割方法在開口的一側再切掉一點，但開口間隙不要超過5mm。

在同一根鐵管上，無論切割多少段，它們的磁化信息都是相同的。各段測量數據的差異是切割過程的不一致造成的，或表磁測量的離散性造成的。

單相電源的零、火線一同穿入一根鐵管時，無論短路與否，兩根導線電流產生的磁感線，在鐵管內部全部抵消，鐵管內是不會留有剩磁的。但可能有歷史遺留剩磁。

若火線發生對地大電流漏電，也會在鐵管內留有剩磁。歷史遺留剩磁和漏電產生的剩磁是無法區分的，需要通過其它的現場勘驗手段才能確認。這就是剩磁檢測方法應用的局限性。

5 表磁替代剩磁的弊端

我們用特斯拉儀測量釘子上的剩磁時，測出的是釘子表面某一點的磁感應強度，簡稱表磁。在勻強磁場內，磁極表面各點的磁感應強度是相同的。而火災現場的磁體卻沒有這種理想的勻強磁場。表磁大小隨磁極表面凸凹變化而不同，不同位置測出的值相差很大。

懸掛導線的釘子，只有體積、形狀、特性相近時，表磁與剩磁才存在相關性，即表磁越大剩磁也越大。我們現在的做法是用表磁代替剩磁，是權宜之計，不得已而為之。雖然，特斯拉儀使用方便。但是，表磁測量結果離散性很大，表磁與剩磁的相關性變得模糊。剩磁失去了單值屬性，就失去了量化比較的根基。將不能準確的反映線路故障與剩磁的相關性。

火災調查面臨的剩磁測量對象已經是五花八門，很難進行同一的量化對比，再加上測量結果的不確定性，將使剩磁法很難推廣應用并得到社會認可。

解決此問題的唯一辦法就是盡快研發出便攜式的剩磁測量儀，恢復剩磁的單值性，不再用表磁替代剩磁。

6 結語

從剩磁產生的機理可知，電路發生短路故障而斷電，剩磁大小由斷電瞬間電路的參數決定，并不完全與短路電流相關，短路電流也許很大，斷電后的剩磁也許很小，甚至為零。僅憑剩磁大小判斷電線是否發生了短路故障是不科學不嚴謹的。

掌握導線懸掛方式與剩磁的相關性可以使剩磁測量減少盲目性。

切割法測量穿線鐵管的剩磁，是剩磁測量技術領域的創新。用特斯拉儀測量剩磁的方法測得的是表磁，數據離散性很大，不具有剩磁的單值性。因而，不能真正的反映出剩磁的大小，影響火災調查的準確判斷。急需開發出直接測量剩磁的便攜儀器。

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