過負(fù)荷電流對銅導(dǎo)線斷后伸長率和斷面收縮率的影響

王晶晶

(安徽省阜陽市消防救援支隊,阜陽 23600)

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各類電氣產(chǎn)品層出不窮，人們生產(chǎn)和生活用電量大幅增加，由于用電不慎等原因造成火災(zāi)事故易發(fā)多發(fā)。我國由電氣引發(fā)的火災(zāi)及其所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失一直居于高位，重特大火災(zāi)時有發(fā)生。吉林省吉林市琿春街商業(yè)大廈火災(zāi)造成19人死亡、26人受傷，起火原因為電氣線路老化引發(fā)火災(zāi)。2012年天津薊縣萊德商廈火災(zāi)，致10人死亡、16人受傷，該起火災(zāi)是由空調(diào)電源線短路引燃周圍可燃物所致。在電氣火災(zāi)中電氣線路故障引起的火災(zāi)是電氣火災(zāi)最主要的原因。電氣線路過負(fù)荷作用范圍大、時間長，因此電氣線路過負(fù)荷又是電氣線路故障中最危險的一類火災(zāi)原因[1]。

目前對電氣火災(zāi)的熔痕鑒定方法主要有宏觀分析、金相分析、成分分析、剩磁分析、微觀分析等[2]，但是將力學(xué)性能測試應(yīng)用到電氣火災(zāi)痕跡物證鑒定中的還較少。筆者采用掃描電鏡(SEM)對斷口收縮率進(jìn)行分析，采用萬能拉伸試驗機(jī)對斷后伸長率進(jìn)行分析，并分別與過負(fù)荷電流建立量化關(guān)系，從而更精確地判斷銅導(dǎo)線是否過負(fù)荷以及過負(fù)荷程度，進(jìn)而豐富火災(zāi)調(diào)查技術(shù)的理論，拓展研究火災(zāi)痕跡的方法，為火災(zāi)調(diào)查提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗材料與方法

1.1 儀器和材料

試驗設(shè)備為北京中科科儀公司的KYKY2800B型掃描電鏡(SEM)，分辨率是6 nm(鎢絲)，放大倍數(shù)為15～250 000倍，加速電壓為0～30 kV；火災(zāi)痕跡物證綜合試驗臺，頻率50 Hz，輸出電壓380 V；XWW-10型萬能試驗機(jī),試驗速度為0.1～500 mm·min-1，最大試驗載荷為10 kN。

試驗材料為φ2.5 mm單股銅導(dǎo)線。

1.2 試驗方法

將長為50 cm的單股銅導(dǎo)線接入火災(zāi)痕跡物證綜合試驗臺，在20～25 ℃室溫下，分別通以1、2、3、4倍的額定電流(Ie)，并分別持續(xù)5、10、15、20 min后斷電，采用在空氣中自然冷卻的方式進(jìn)行冷卻。利用萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗，并利用掃描電鏡對斷口進(jìn)行觀察，對斷口面積進(jìn)行測量，運用SPSS軟件實現(xiàn)回歸分析[3]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 斷后伸長率測定與分析

將斷開的試樣兩端斷口緊密地對接在一起，用直尺測量試樣標(biāo)記部分的斷后長度，并計算試樣的斷后伸長率。

當(dāng)電流的熱作用較弱時，通過銅線芯的溫度小于銅的再結(jié)晶溫度(200 ℃)，晶粒大小不會發(fā)生改變。當(dāng)銅線芯的溫度等于或大于其再結(jié)晶溫度時，其微觀結(jié)構(gòu)才會發(fā)生改變，因而在過負(fù)荷電流的高溫作用下，導(dǎo)線發(fā)生再結(jié)晶，并且晶粒逐漸長大。銅導(dǎo)線在不同額定電流下的溫度如表1所示[4]。銅導(dǎo)線在1倍額定電流下，組織無變化；在2倍額定電流下，部分再結(jié)晶，但晶粒細(xì)小；在3倍額定電流下，晶粒變得粗大[5-6]。晶粒粗化，材料的塑性和韌性也會減弱。這是因為在相同的外力作用下，粗大晶粒的內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較大，變形不均勻，相對來說，因應(yīng)力集中引起開裂的機(jī)會也較大，斷后伸長率較小。由于晶粒越大，金屬中的裂紋容易產(chǎn)生并且容易傳播，因而在斷裂過程中吸收了較少的能量，即表現(xiàn)出較低的韌性。

表1 銅導(dǎo)線在不同額定電流時的溫度Tab.1 Temperatures of copper conductor at different rated currents ℃

不同大小的過負(fù)荷電流及通電時間對銅導(dǎo)線斷后伸長率的影響如圖1所示，可見在相同過負(fù)荷時間內(nèi)，斷后伸長率隨著過負(fù)荷電流的增大而下降，與正常通電時的斷后伸長率相比，過負(fù)荷電流為2倍額定電流時，斷后伸長率明顯下降，但下降的幅度較??；過負(fù)荷電流為3倍額定電流時，斷后伸長率迅速下降，下降幅度較大；過負(fù)荷電流為4倍額定電流時，斷后伸長率持續(xù)下降，但下降幅度有所減小。同一規(guī)格銅導(dǎo)線，在不同通電時間內(nèi)，隨著過負(fù)荷電流的增大，斷后伸長率的變化趨勢略有不同，通電時間越長，斷后伸長率隨過負(fù)荷電流增大而下降的幅度越大，下降幅度按通電時間從大到小依次為20 min、15 min、10 min、5 min。

圖1 不同大小的過負(fù)荷電流及通電時間對銅導(dǎo)線斷后伸長率的影響Fig.1 Influence of different overload currents and power on time on elongation after fracture for copper conductor

將銅導(dǎo)線的斷后伸長率與過負(fù)荷電流進(jìn)行擬合，以通電15 min為例，發(fā)現(xiàn)二者的關(guān)系接近線性模型，擬合曲線如圖2所示。斷后伸長率對額定電流的回歸方程式為

圖2 銅導(dǎo)線斷后伸長率與電流的擬合曲線Fig.2 The fitting curve of elongation after fracture of copper conductor and current

y=34.105-2.845x(R2=0.909)

(1)

2.2 斷面收縮率測定與分析

將斷口在掃描電鏡下放大100×的圖片導(dǎo)入SemImage3.0軟件。利用該軟件中的劃線工具圈定斷口，圈定后進(jìn)行二值分割，然后選定“粒度分析”功能，軟件會自動測定斷口的面積。

不同大小的過負(fù)荷電流及通電時間對銅導(dǎo)線斷面收縮率的影響如圖3所示?？梢婋S著額定電流增大，銅導(dǎo)線的塑性和韌性會減弱，因此斷面收縮率也會較小。同一規(guī)格銅導(dǎo)線，在相同通電時間內(nèi)，隨著過負(fù)荷電流的增大，斷面收縮率呈下降的趨勢；當(dāng)過負(fù)荷電流小于或等于2倍額定電流時，斷面收縮率略有下降，下降幅度較小；當(dāng)過負(fù)荷電流大于2倍額定電流時，斷面收縮率與過負(fù)荷電流之間的曲線斜率增大，斷面收縮率急劇下降，且過負(fù)荷電流越大，斷面收縮率下降的幅度越大。同一規(guī)格銅導(dǎo)線，在不同通電時間內(nèi)，隨過負(fù)荷電流增大，斷面收縮率的變化趨勢略有不同。通電時間越長，斷面收縮率隨過負(fù)荷電流增大而下降幅度越大，按從大到小的順序依次為20 min、15 min、10 min、5 min。

圖3 不同大小的過負(fù)荷電流及通電時間對銅導(dǎo)線斷面收縮率的影響Fig.3 Influence of different overload currents and power on time on percentage reduction of area for copper conductor

將斷面收縮率與額定電流進(jìn)行擬合，以通電15 min為例，發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系接近二次多項式模型，擬合曲線如圖4所示。斷面收縮率對額定電流的回歸方程式為

圖4 銅導(dǎo)線斷面收縮率與電流的擬合曲線Fig.4 The fitting curve of percentage reduction of area of copper conductor and current

y=94.330-0.865x(R2=0.977)

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3 結(jié)論

(1)銅導(dǎo)線的斷后伸長率和斷面收縮率隨著額定電流的增大而下降。

(2)在相同額定電流下，銅導(dǎo)線的斷后伸長率和斷面收縮率隨通電時間延長而下降。

(3)通電時間對銅導(dǎo)線力學(xué)性能的影響小于電流大小對銅導(dǎo)線力學(xué)性能的影響。