過電流銅導線斷點熔痕特征

呂雪麗，王 博

1.烏魯木齊市消防救援支隊,新疆 烏魯木齊 830000; 2.博樂市消防救援支隊，新疆 博樂 833400

0 引言

導線過電流故障是一種常見的電氣故障類型，具有很強的引燃能力[1]。過負荷、過電壓、雷擊等均會誘發過電流故障[2]，過電流故障在火場中十分常見。導線絕緣層的內焦、松弛、脫離線芯本體是過電流故障的典型痕跡[3-4]，但導線絕緣層PVC為可燃材料，在火場中易滅失，因此為準確認定過電流故障，需要在導線線芯本體上找到能夠在火場中穩定保存的痕跡物證。針對導線過電流故障的痕跡特征，國內外學者開展了大量研究。Choi等[5]借助高速攝像機研究了無絕緣單芯銅導線發生過電流故障時熔斷處的電弧熔痕特征，認為過電流導線噴濺熔珠金相組織中樹枝晶的含量與導線電流增長速率及增長間隔有關聯；張金專[6]研究了不同過電流值和故障發生時銅導線金相組織的變化情況，發現粗大的等軸晶是未熔斷過負荷導線的主要晶粒類型；Wright等[7]分別研究了過電流故障和短路故障的宏觀特征，認為通過宏觀方式很難區分兩者；周廣英等[8]對單股銅導線過電流故障熔痕的金相組織進行了研究，發現導線過電流故障熔痕的金相組織以樹枝晶為主，且晶粒具有明顯的方向性；劉玲等[9]研究了火場條件下多股銅導線過電流故障的痕跡特征，發現隨著導線過電流故障程度的加重，導線線芯表面會依次呈現出剝離脫落、塊狀開裂、珊瑚狀小顆粒等現象；王樸真等[10]研究了過電流倍數對多股銅導線故障的影響，發現多股銅導線過電流故障熔痕主要分為兩類，并且其金相組織差異很大。綜上所述，盡管目前國內外學者對導線過電流故障痕跡開展了廣泛研究，但并未給出導線過電流故障的認定依據。本文模擬不同倍率額定電流時的導線過電流故障，利用數碼攝像機記錄導線過電流故障過程，借助高速影像對比分析其瞬間變化，借鑒NFPA 921中的時間軸分析方法[3]搭建過電流導線發熱燃燒過程的時間軸，明確各階段的時間關系，通過體視顯微鏡對斷點熔痕的宏觀特征進行固定、統計、分析，利用金相法對其金相組織進行分類研究，為火災現場中過電流故障的準確識別提供依據。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

銅導線：津貓線纜股份有限公司生產的2.5 mm2ZR-BV單芯銅導線，額定電流Ie=34 A，絕緣層PVC厚度0.8 mm、截面積6.46 mm2，線芯直徑1.78 mm[11]。腐蝕劑：鹽酸氯化鐵水溶液(5 g氯化鐵、100 mL水、10 mL鹽酸)。其他材料：Ⅱ型造牙樹脂，Ⅱ型義齒基托樹脂液，金相拋光劑，無水乙醇，蒸餾水，120#、2000#金相砂紙。

1.2 儀器設備

中國人民警察大學自主研發設計的電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置：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，調節精度為0.15 V；可控電流為0～300 A，調節精度0.1 A。其作為過電流故障的發生裝置。Phantom VEO 640高速攝像機：分辨率為1920×1020，曝光時間為2 000 μs，采樣率為10 pps，用于采集導線過電流故障過程中的高速影像。XTL-340型體視顯微鏡：用于觀察、記錄過電流導線斷點熔痕的宏觀特征。YMP-1型金相試樣拋磨機：用于打磨、拋光熔痕的金相試樣。Carl Zeiss Observer A1m型金相顯微鏡：用于觀察熔痕的金相組織。

1.3 樣品制備

如圖1所示，將ZR-BV單芯銅導線截成650 mm的小段若干，剝去導線兩端約30 mm絕緣層，將導線懸空水平布置在固線裝置上。保持導線兩端電壓220 V不變，使導線分別通過4Ie、4.5Ie、5Ie、5.5Ie、6Ie電流(導線過電流熔斷時的最低電流為4Ie[12])，每一種試驗電流條件下進行5組平行試驗。平行架設數碼攝像機和高速攝像機，分別記錄導線過電流故障的宏觀發熱過程及瞬間高速影像變化。

圖1 試驗裝置示意圖

2 試驗結果

2.1 導線過電流故障過程

當導線通過電流I≥4Ie時，隨著通電時間的延長，過電流導線依次出現導線沉降、絕緣鼓泡熱解、線芯熔斷拉弧、火焰蔓延燃燒等一系列變化過程。故障發生后，過電流導線會產生多個斷點，但這些斷點并非同時產生，其中最先產生的斷點為電弧和火焰耦合作用產生的電弧斷點，其余斷點為僅有火焰作用產生的非電弧斷點。6Ie過電流導線發熱燃燒過程時間軸如圖2所示。

圖2 6Ie過電流導線發熱燃燒過程時間軸

導線發生過電流故障后，其線芯本體上會產生三種典型熔痕，即電弧作用產生的斷點熔痕、火焰和應力作用產生的非電弧斷點熔痕及突出于線芯本體的尖狀、小結疤狀熔痕。6Ie過電流導線線芯本體熔痕的宏觀形貌如圖3所示。

2.2 過電流銅導線電弧斷點分布特征

導線在過電流故障過程中會發生沉降，將不同過電流導線拉弧瞬間的高速影像進行堆棧合成，發現對于通過不同倍數額定電流的導線，其熔斷時沉降的距離基本一致。不同電流值時，過電流導線電弧產生瞬間的現象如圖4所示，堆棧合成圖如圖5所示。

運用PS標尺比例換算，以實驗臺兩銅柱間距55.7 cm為基準，對不同過電流導線電弧發生位置與線端之間的距離進行測量發現，導線通過電流值越高，其電弧斷點越接近導線端部。通過Origin擬合發現，導線通過電流值與電弧斷點距線端的距離呈二次函數關系，擬合曲線的方程為y=0.00117x2-0.6073x+84.586，且擬合曲線的回歸參數R2=0.97326，擬合曲線如圖6所示。

圖3 6Ie過電流導線不同熔痕的宏觀形貌

2.3 過電流銅導線斷點熔痕的金相組織

通過對不同過電流值導線電弧斷點熔痕的金相組織進行統計、分析，發現過電流故障電弧斷點熔痕金相組織的晶粒主要呈現出兩種形態：(1)熔痕內部晶粒均為樹枝晶；(2)熔痕邊緣晶粒存在少量樹枝晶，內部為等軸晶。過電流導線電弧斷點熔痕金相組織如圖7所示。

非電弧斷點熔痕金相組織的晶粒主要呈現出兩種形態：(1)熔痕內部晶粒均為等軸晶；(2)熔痕邊緣存在少量樹枝晶，內部為等軸晶。過電流導線非電弧斷點熔痕金相組織如圖8所示。

3 分析與討論

3.1 過電流導線發熱熔斷變化過程原因分析

當導線發生過電流故障時，線芯由于電流的熱效應產生熱量，這些熱量會通過熱傳導向絕緣層傳

圖4 過電流導線斷路電弧產生時的現象

圖5 不同過電流導線堆棧合成圖

播，再通過對流換熱向外界傳播[13]。為簡化模型，假設：(1)導線絕緣層與線芯的熱物性參數在過電流故障全過程中保持不變；(2)只考慮導線徑向的溫度梯度，且將其發熱過程近似看作是一維熱傳導問題；(3)導線線芯各處無溫度梯度；(4)忽略導線線芯與絕緣層之間的空氣間隔，且導線線芯和絕緣層之間的熱阻可以忽略不計。導線徑向溫度分布如圖9所示，圖中r為導線任意一處半徑，r0為導線絕緣層半徑，rc為導線線芯半徑，qf為導線線芯產生的熱量，qs為導線向外釋放的熱量。

導線通電后，線芯溫度持續升高，同時由于熱傳導作用，導線絕緣層溫度也不斷升高，在此過程中導線線芯的導熱微分方程為：

I2Rdt=(∑mc)dT+2πr0h(T-Ta)dt

(1)

式中，I為線芯內通過的電流值；R為單位長度線芯的電阻；t為導線通電時間；m為單位長度質量；c為比熱容；T為溫度；h為對流換熱系數。當t=0時，即導線開始通電時，T為室溫Ta，則：

(2)

圖6 過電流導線電弧斷點位置擬合曲線

圖7 電弧斷點熔痕金相組織

當通電時間趨于無窮大時，導線線芯的產熱和散熱達到平衡，導線的溫度趨于穩定，其平衡溫度為：

(3)

當電流為4Ie時，得到的平衡溫度Tb遠遠大于銅的熔點(Tm)1 083 ℃，說明計算所得Tb為偽平衡，即導線在未達到平衡時已經熔斷，熔斷后由于導線溫度不再升高，故導線不會達到計算溫度，同時這也解釋了導線發生熔斷產生斷路電弧的原因。

導線過電流故障過程中，其絕緣層的變化過程大致可分為四個階段：(1)導線PVC絕緣層在線芯熱傳導作用下受熱分解，釋放出可燃的熱解氣體[14]。(2)熱解氣體在熱泳力作用下擴散。由于可燃熱解產物的溫度遠大于周圍空氣的溫度，所以周圍空氣在對流換熱作用下溫度升高，熱空氣與周圍空氣出現溫度梯度。被可燃熱解氣體加熱的氣體分子以更高的動能與熱解氣體粒子碰撞，使熱解氣體粒子向周圍低溫空氣移動。由此，可燃熱解產物不斷向外擴散，與周圍空氣混合，形成可燃預混氣體[15]。導線絕緣層燃燒過程中第一、二階段示意圖如圖10所示。(3)過電流故障導線熔斷，產生的斷路電弧將可燃預混氣體引燃，出現火焰，發生預混燃燒。(4)火焰沿導線水平方向傳播，同時火焰的直接作用也使絕緣層的熱解反應加劇，釋放更多可燃氣體，維持燃燒狀態，火焰向導線遠端傳播。

圖8 非電弧斷點熔痕金相組織

圖9 過電流導線發熱模型及徑向溫度分布示意圖

圖10 絕緣熱解產物擴散示意圖

3.2 非電弧斷點熔痕金相組織成因分析

非電弧斷點熔痕形成時，線芯整體溫度并未達到銅的熔點Tm，而金屬的再結晶溫度TR較低[16]，由經驗公式TR≈(0.35～0.45)Tm計算得到銅發生再結晶的溫度約為380～490 ℃[17]。本試驗過電流線芯整體溫度超過此溫度，所以非電弧斷點痕跡大部分區域以再結晶的等軸狀組織為主。另外，由于電流的集膚效應，線芯通過的電流多分布于表面區域，導致線芯表面溫度明顯高于內部溫度，并且絕緣層燃燒的火焰同樣僅作用于線芯表面，所以線芯表面會出現少量以樹枝狀晶粒為主的熔化區域。

4 結論

通過本文試驗研究，可得出如下結論：(1)當I≥4Ie時，過電流導線會出現絕緣鼓泡熱解、線芯熔斷拉弧、火焰蔓延燃燒等現象，此時起火點處會呈現明火燃燒。(2)導線發生過電流故障熔斷時，其電弧斷點距線端的距離與電流值呈二次函數關系，導線過電流倍數越高，其電弧斷點距離線端越近，此結論可為過電流故障典型熔痕的采集、提取提供依據。(3)熔痕內部晶粒均為樹枝晶是電弧斷點熔痕的典型組織，熔痕內部晶粒均為等軸晶是非電弧斷點熔痕的典型組織，此結論可為認定導線過電流故障提供依據。