過電流故障鋁導線熔痕部位與組織特征關聯性研究*

姜文宇，吳 堅，孫 燁，李 陽，何 穎

(1.中國人民警察大學 研究生二隊，河北 廊坊 065000；2.臺州市消防救援支隊 臺州灣新區大隊 浙江 臺州 318000；3.中國人民警察大學 物證鑒定中心，河北 廊坊 065000；4.中國人民警察大學 防火工程三隊，河北 廊坊 065000)

0 引言

按照《住宅設計規范》室內線路應采用銅線[1],但老舊建筑中仍在使用鋁導線。隨著用電負荷的增加，之前布設的鋁導線易發生過電流故障而引發火災。Babrauskas指出，導線持續發生過電流故障可引燃絕大多數可燃物，且導線絕緣也會起火燃燒[2]。根據過電流故障發生規律，線芯發熱引起絕緣熱解，熱解產生的煙氣易被熔斷時的斷路電弧引燃，整根導線出現明火燃燒[3]。對此過程的分析可知，過電流導線熔痕中一部分是斷路電弧參與形成的電弧熔痕，多數是線芯發熱與后續明火燃燒共同作用形成的非電弧熔痕，其形成時的熱作用過程與火災中高溫火燒形成的熔化痕跡較為相似[4]。在火災現場中，二者肉眼難以區分，因此，有必要根據熔痕形成部位細化熔痕分類，建立不同部位熔痕與組織特征的關聯，增加檢驗鑒定鋁導線發生過電流故障的數據維度，以提高此類電氣火災物證鑒定準確性和可靠性。

目前關于過電流故障導線引發火災的研究主要集中于過電流故障銅導線的引燃過程及痕跡特征上，而鋁導線主要是對其短路熔痕進行研究。早在1978年，Ettling[5]研究了過電流故障銅鋁導線發熱、起火過程，不同于銅導線，過電流故障鋁導線呈現多次斷節的特征；2002年Babrauskas[2]發現，銅導線荷載3～7倍額定電流時，短時間內熔斷引燃；2004年，Choi等[6]利用高速攝像機對無絕緣銅導線發生過電流故障時熔斷過程進行了研究；2009年張金專[7]研究了通4倍以下額定電流時，過電流銅導線線芯金相組織變化；2017年劉偉[8]對鋁導線短路噴濺熔珠在高溫火燒環境中金相組織的變化進行了研究；2019年王博等[9]研究了ZR-BV單芯銅線通2.5～6倍額定電流情況下，過電流銅導線電弧熔痕和非電弧熔痕的組織特征。綜上所述，過電流故障銅導線引發火災的研究較為系統，但對過電流故障鋁導線的系統研究相對缺乏。

本文以2.5 mm2BLV鋁導線為研究對象，在1～7.5倍額定電流值之間，間隔12.5 A為1種故障工況，根據電弧熔斷、重力折斷的部位對鋁導線各部位熔痕的形成過程進行研究，分析各部位熔痕的數量、分布、宏觀特征和金相組織特征，建立根據多部位熔痕特征綜合鑒別鋁導線發生過電流故障的技術方法。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器與材料

電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置(中國人民警察大學自主設計)：通過控制電流大小制備過電流故障鋁導線；Leika SAPO+體視顯微鏡(德國徠卡公司制造)；Observer.A1m型金相顯微鏡(德國蔡司公司制造);Canon 70D型數碼照相機(日本佳能公司制造)；鋁導線：符合GB/T 5023.3—2008的BLV鋁導線(山東陽谷華光線纜廠生產)，規格見表1。

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

1.2 試驗方法

截取600 mm長的鋁導線，兩端剝去30 mm絕緣層，將導線兩端與鐵架臺接線柱相連，后連接到試驗臺上，試驗臺如圖1所示。2.5 mm2線徑的鋁導線額定電流為25 A，在1～7.5倍額定電流值之間，間隔12.5 A選取1組工況，共選擇14個電流，每組電流值進行3次平行試驗；用數碼照相機記錄鋁導線的發熱變形過程，每次試驗以導線熔斷或者導線1 h內不熔斷作為結束；截取過電流線芯上的典型熔痕在體視顯微鏡下拍攝，后分類制樣在金相顯微鏡下觀察。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

2試驗結果及分析

2.1 過電流故障鋁導線發熱過程

如圖2所示，2.5 mm2BLV鋁導線荷載150 A電流時：通電開始線芯隨即開始發熱軟化，10.41 s時絕緣層開始熱解發煙，線芯中段在14.03 s時彎拱變形、猛烈發煙，14.10 s線芯熔斷拉弧形成熔斷點，電弧引燃絕緣熱解氣體，絕緣層起火燃燒，同時線芯在重力作用下下落，14.39 s后火焰迅速沿絕緣層向兩端蔓延，14.93 s線芯折斷脫離接線柱。

圖2 150 A鋁導線過電流故障發生過程Fig.2 Occurrence process of overcurrent fault of aluminum conductor under 150 A

根據過電流故障鋁導線發熱情況不同，可將其分為4個典型部位：

A熔斷電弧作用區：焦耳熱量不斷積累直至線芯熔斷拉弧時，電弧作用的區域。

B重力折斷區：鋁導線斷路后，斷點兩端導線受重力作用做類鐘擺運動，在自身應力作用下發生折斷，形成折斷痕跡。

C過火本體區：導線線芯發熱過程中，絕緣層熱解生成可燃煙氣，高溫電弧引燃比表面積較大的可燃煙氣引起絕緣層燃燒，有火焰作用部位為過火本體區域。

D未過火本體區：導線本體未受到絕緣層燃燒作用的為未過火本體區。

在14個過電流值的42組試驗中，當荷載75 A以下電流時，導線通電1 h未軟化彎拱，絕緣達到熱平衡狀態，導線未熔斷；當導線荷載75 A及以上電流時導線發生熔斷和折斷，對發生熔斷的10種工況的熔斷、折斷情況進行量化統計，結果見表2。

表2 斷點數量統計Table 2 Breakpoint quantity statistics

2.2 過電流故障鋁導線熔斷時間分析

2.5 mm2鋁導線荷載75 A及以上電流時發生熔斷，熔斷時間如圖3所示。分析圖3中數據發現熔斷時間隨電流值的增加表現出規律性，故對在發生熔斷電流值條件下導線的熔斷時間進行擬合，得到擬合公式(1)：

圖3 鋁導線過電流熔斷時間預測模型Fig.3 Prediction model for overcurrent fusing time of aluminum conductor

T=120.63-24.40×ln(X-72.89)(I≥72.89)

(1)

式中：T為導線熔斷所需時間，s；X為鋁導線過電流值，A。

擬合函數的R2=0.99，熔斷時間隨電流值升高呈對數遞減變化。式中，當X→72.89時，T→+∞，即當導線荷載72.89 A電流時，熔斷時間趨近于無窮，導線不發生熔斷；同時，根據對數函數的性質，隨電流值的增加，熔斷時間的導數值減小，即電流升高，熔斷時間趨于穩定。

此模型可用于推測2.5 mm2鋁導線在不同電流條件下的熔斷時間。熔斷時間受升溫速率影響，升溫速率由產熱和散熱共同決定，當線芯溫度升至線芯熔點時導線熔斷。由公式P=UI可知，電壓一定，荷載電流值越高時，發熱功率越大。因此，電流值大于125 A時，發熱速率過快，散熱作用相較于產熱影響較小，電熱作用完全起主導作用，此時熔斷時間趨于平穩。

為驗證擬合公式所得臨界熔斷電流值范圍，在62.5～75 A間利用二分法增加測試點。實驗結果見表3。

表3 新增測試點熔斷情況Table 3 Fusing conditions of new-added test points

由表3可知，熔斷臨界熔斷電流出現在71.5～73 A之間，將新測試點電流值代入擬合公式驗證經驗模型，得到預測值與實驗值較為相符，故熔斷電流值應處于[71.5,73)A區間內。

2.3 不同熱作用區宏觀痕跡

過電流故障鋁導線熔痕的宏觀特征是認定鋁導線發生過電流最直觀的依據。為便于對熔痕位置的理解，以150 A為例，各部位的熔痕位置關系如圖4所示。由于過電流故障鋁導線各區域發熱、受熱機制不同，金屬線芯不同位置經歷不同熱過程，其宏觀特征、組織特征也有差異。對此就不同分區的導線痕跡特征進行分類論述。

圖4 150 A鋁導線過電流痕跡宏觀特征Fig.4 Macroscopic characteristics of overcurrent marks of aluminum conductor under 150 A

在發生熔斷的10組電流值條件下的30組試驗中，每組實驗均較為穩定地發生1次熔斷產生2個熔斷點和多次折斷，且折斷點痕跡特征較為穩定。

A熔斷電弧作用區：30組試驗共收集到60個線芯端部熔珠。導線受熱熔斷(鋁單質熔點為1 220 K)，隨即發生電荷擊穿產生電弧，線芯端部熔斷瞬間溫度高于鋁的熔點，電弧產生的壓力可達2～3 atm[10]，電弧的高溫高壓作用于熔融態導線線端，同時鋁熔珠在凝固過程中首先在熔體表面形成氧化膜，融化的鋁穿透氧化鋁表層，使得熔斷點端部形貌多樣[3]，大致分為5類：圓珠狀、鈍頭狀、尖頭型、彎折狀、牽拉狀，如圖5所示。但熔斷電弧作用區在冷卻凝固過程中受液態熔珠表面張力的作用，表面較未熔化的折斷點圓滑。

圖5 電弧熔斷區典型宏觀痕跡Fig.5 Typical macroscopic marks of arc fusing zone

B重力折斷區：30組過電流故障試驗共收集230個折斷痕跡，均為表面鋸齒狀的寸斷痕跡，如圖4中重力折斷痕跡所示。電熱作用使得導線彈性力學性質發生改變，脆性增加，于應力集中部位折斷形成鋸齒狀痕跡。

C過火本體區：如圖4中過火本體區所示，經歷過絕緣燃燒的金屬線芯表面附著有黑色的絕緣層燃燒殘留物。

D未過火本體區：區別于過火本體區，未被引燃的絕緣層包裹下的金屬線芯呈現金屬光澤。

此外，當導線荷載150 A以上電流時，熔斷電弧能量高，線端的熔融態金屬在電弧壓力作用下產生噴濺熔珠。圖6為鋁導線荷載187.5 A電流時收集到的噴濺熔珠，導線通電6.79 s即在鐵架臺接線柱與導線連接處熔斷拉弧，產生噴濺熔珠，如圖6(a)所示，片狀熔痕于熔斷點的正下方收集(鋁導線與臺面垂直距離265 mm)，該熔珠體積大，攜帶能量高，飛行距離短，故著床時尚未凝固，形成長為8.24 mm的薄片狀痕跡。如圖6(b)所示，雙球狀噴濺熔珠于距離熔斷點655.8 mm處收集，熔珠在飛行過程中氧化放熱，在空氣阻力和熔珠表面張力作用下，形成飛行阻力較小的球狀痕跡，在著床瞬間與承接物平面碰撞，形成雙球狀痕跡，雙球狀痕跡直徑總長為2.42 mm。

圖6 噴濺熔珠宏觀形貌Fig.6 Macromorphologies of spray fusing beads

2.4 不同熱過程作用下典型組織特征

僅憑鋁導線熔化痕跡的宏觀特征難以準確認定過電流故障，需要借助金相分析的方法對其進行輔助認定。圖7中，以150 A為例介紹不同部位的組織特征。A熔斷電弧作用區：高溫電弧作用至熔斷點，線端整體融化，溫度遠高于火場環境溫度，由于溫差大降溫速率快，組織再結晶后形成樹枝晶(Ⅰ)。熔體的小部分熱量經熱輻射、熱對流散失，大部分熱量經熱傳導形式向線芯本體傳遞，溫度由斷點向線芯本體遞減，故晶粒向斷點方向生長，形成圖7中(Ⅱ)區的纖維狀晶粒。

圖7 150 A鋁導線過電流組織特征Fig.7 Overcurrent microstructure characteristics of aluminum conductor under 150 A

B重力折斷區：導線本體在重力作用下下擺發生折斷沒有引起線芯內能變化，故折斷痕跡的組織特征與本體相一致。

C過火本體區：導線本體受電熱作用軟化但未發生熔化，單質鋁達到623 K時開始再結晶，線芯升溫過程中，線芯本體組織發生晶核的合并長大，最終形成粗大的塊狀晶[11]；圖7中，過火本體區上下邊緣有細小的等軸晶，這是由于絕緣層燃燒,熱量反饋于金屬線芯，使線芯表層金屬熔化后重結晶，且燃燒作用時間長，冷卻速度慢，晶體生長為細小的等軸晶。

D未過火本體區：區別于過火本體區，金屬線芯外層的絕緣層未發生燃燒，線芯組織邊緣未見等軸晶。

噴濺熔珠在飛行過程中與空氣充分對流換熱，熔珠質量小降溫速率快，組織為狹長的樹枝晶和纖維晶，在飛行過程中卷吸入大量空氣，故組織內部存在大氣孔。

3 結論

1)將過電流導線劃分為電弧作用熔斷區、重力折斷區、過火本體區、未過火本體區、噴濺熔珠等5個部位，建立發熱燃燒過程—痕跡宏觀形貌—組織特征的關聯，增加識別此類故障的證據維度。

2)根據導線線芯熔斷時間、熔斷前焦耳產熱量的變化規律，建立熔斷時間預測模型，由該模型得到2.5 mm2鋁導線發生熔斷的臨界電流值為72.89 A，在未熔斷區間內增加測試點驗證擬合公式，得到臨界熔斷電流值應位于[71.5,73)A區間內，表明預測模型可較準確地反映實際工況。

3)相較于火災中高溫火燒形成的熔化痕跡，鋁導線過電流痕跡會出現典型斷節現象及鋸齒狀寸斷痕跡，本體區以粗大塊狀晶為主，過火本體區邊緣處有細小等軸晶，此為區分過電流本體組織與火燒熔化痕跡的參考依據。