著床后引燃對電弧迸濺熔珠組織特征的影響*

張志偉，雷心怡，王一名，周廣英，李 陽，王偉峰

(1.中國人民警察大學 研究生院，河北 廊坊 065000；2.陜西省楊凌示范區消防救援支隊，陜西 楊凌 712100；3.黑龍江省大慶市消防救援支隊，黑龍江 大慶 163000；4.中國人民警察大學 物證鑒定中心，河北 廊坊 065000；5.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

故障電弧引起火災有2種情況，一是電弧直接引燃比表面積較大的可燃物；二是電弧迸濺熔珠著床后引燃周圍可燃物[1]。相較于電弧直接引燃可燃物，迸濺熔珠引燃可燃物造成的火災事故更為頻發，如2020年3月30日，四川涼山州西昌市森林火災造成19人死亡，森林過火面積3 047.78公頃，起火原因是輸電線接地短路產生的故障電弧迸濺熔珠引燃了山林間的灌木和雜草[2]。故障電弧熔化導線線芯，迸濺出高溫金屬液滴，著床接觸可燃物后，如果攜帶的能量足夠高，可燃物熱解的足夠充分，就會引起有焰燃燒；相反，當熔珠自身能量不足，可燃物熱解不夠充分，就無法引起有焰燃燒，繼而無法引發火災[3]。結合金屬鑄造學基本原理，有焰燃燒顯著影響著高溫液態迸濺熔珠的冷卻過程，繼而影響其組織特征的形成[4]。但迸濺熔珠體積小、溫度高、冷卻快，加之著床后引燃過程的復雜性，關于此方面的系統研究相對較少。

目前，關于故障電弧迸濺熔珠的研究主要集中于熱顆粒直徑、初始溫度、材質和可燃物種類、堆積方式對其引燃能力的影響方面。早在1977年，Pleasance等[5]首次提出故障電弧迸濺熔珠是引發山林火災的原因之一，其通過加熱將鋁片熔化的方式模擬金屬高溫熱顆粒引燃下方可燃物，發現存在有焰燃燒和無法引燃2種情況。2010年，Kuznetsov等[6]理論研究了運動中的高溫熱顆粒對空氣和可燃液體蒸氣混合物的傳熱傳質過程；自2011年后，Fernandez-Pello團隊[7-11]通過爐體加熱金屬顆粒的方式，探究了不同材質的金屬高溫顆粒引燃可燃物的溫度、大小的臨界條件，并對熱顆粒引燃可燃物的過程進行了理論研究；2020年，Liu等[12]針對高速運動的切割金屬熱顆粒，建立了熱顆粒的溫度測量與軌跡追蹤方法，可為定量表征高溫金屬熱顆粒凝固過程中的溫度變化提供方法參考。榮彥超等[13]根據色溫比色原理，使用Matlab圖像色溫識別程序，建立了高溫液態迸濺熔珠凝固過程中測溫的方法。2017年以來，Fernandez[14]和Manzello等[15]對飛火的研究進行了系統綜述，指出爐體加熱的金屬熱顆粒與故障電弧產生的迸濺熔珠引燃可燃物的過程存在較大差異，并提出可燃物的含水率、密度、孔隙率等特性也會對熱顆粒的引燃能力產生影響。

Babrauskas[16]提出了故障電弧迸濺熔珠是認定電氣故障引發火災的重要物證，其組織特征可為分析火災發生原因提供依據。在我國，故障電弧熔珠的認定主要參照2012年發布的《電氣火災痕跡物證技術鑒定方法 第5部分：電氣火災物證識別和提取方法》(GB/T 16840.5—2012)[17]。近年來，國內外學者對電弧熔珠組織特征的研究進行細化，但主要集中在線端電弧熔珠的組織特征方面。2010年，吳瑩等[18]利用Cu的俄歇譜線和計算的俄歇參數值，對不同環境形成的銅導線短路痕跡的物相及元素分布規律進行了分析；2015年，Liu等[19]對銅導線產生的起因熔珠的微觀組織和熔珠形成的外部條件進行探究，確定了過冷度、生長速率和枝晶形貌等對金相特征形成的影響；李陽等[20]根據金相法的判定依據，建立了基于Bayes判別模型的火場中銅導線短路熔痕定量金相鑒定的方法。與線端電弧熔珠不同，電弧迸濺熔珠是遠離電弧熔池熱作用區凝固的金屬熱顆粒，著床后引燃可燃物的情況對其凝固冷卻過程具有顯著影響，因此，有必要針對電弧迸濺熔珠開展系統研究。

本文通過對故障電弧迸濺熔珠形成過程高速影像的捕捉，分類統計其著床方式，優化Matlab圖像色溫識別方法，對熔珠著床過程中的溫度變化進行追蹤，分析迸濺熔珠引燃可燃物情況對其組織特征的影響，此研究對于準確識別電弧迸濺熔珠引發火災具有重要意義。

1 實驗設計

1.1 實驗方法

電弧迸濺熔珠制備及其著床過程記錄實驗裝置如圖1所示。實驗前，使用玻璃器皿(內壁直徑18 cm，高3.5 cm)盛裝α-纖維素粉，稱重并控制α-纖維素粉密度為0.5 g/cm3，攪拌蓬松后置于110 ℃烘箱中干燥4 h(達到可燃物質量不隨時間發生變化的狀態)[7]。隨后將α-纖維素粉置于絕緣木上，使電弧迸濺熔珠制備點距α-纖維素粉表面圓心5 cm高。將2.5 mm2的單芯銅導線截成15 cm小截若干，剝去兩端約3 cm絕緣層，用2個焊把分別連接2根導線，保持2根導線線端在同一高度且相互接觸。實驗時,調節故障電弧迸濺熔珠制備裝置(中國人民警察大學自主研發)輸出直流電流200 A，制備故障電弧迸濺熔珠，并用高速攝像機(Phantom VEO640，300幀/s)在主視圖方向記錄熔珠的著床引燃過程。實驗后，使用Matlab軟件對熔珠著床后的連續影像進行圖像色溫識別，并使用蔡司金相顯微鏡(Observer.A1m)觀察分析熔珠的典型組織特征。為減小實驗隨機性的影響，在200 A恒定直流電下進行50組重復實驗。

圖1 故障電弧迸濺熔珠制備實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device for preparing splashed melted bead by arc fault

1.2 迸濺熔珠溫度測量

1.2.1 迸濺熔珠測溫原理

根據光學和熱力學知識，物體的溫度與其光譜輻射力及波長有關，溫度升高會使物體熱輻射產生的可見光中短波的比例增大[21]。例如，當金屬溫度低于227 ℃(500 K)時難以被攝像機捕捉，隨著其溫度的升高，會出現暗紅、鮮紅、橘黃直至白熾等顏色變化。故障電弧迸濺熔珠離開導線端部時為液態，溫度遠高于其銅導線的熔點1 083 ℃(1 356 K)。因此，可采用Matlab將迸濺熔珠的真彩色圖像分解成三基色的灰度圖像，而后通過比色測溫法求出每一幀圖像中迸濺熔珠各點的溫度。

1.2.2 迸濺熔珠著床過程溫度測量方法

設置高速攝像機拍攝幀率為300 fps，可計算出每2幀圖像之間的時間間隔為3.33 ms，將迸濺熔珠首次與α-纖維素粉接觸的1幀圖像定義為著床首幀圖像，其時間定義為著床后第0 ms，并以此計算此后每幀圖像所對應的著床時間。將迸濺熔珠著床過程的高速影像導入Matlab測溫程序中，選取測溫程序輸出的平均溫度作為高速影像中任1幀迸濺熔珠的溫度，如圖2所示。由于熔珠著床后會使得α-纖維素粉發生飛濺，飛濺的α-纖維素粉在迸濺熔珠的強光作用下會影響Matlab對迸濺熔珠溫度的識別，此時選取熔珠中心點作為測溫點，讀取此時的溫度。

圖2 Matlab測溫效果Fig.2 Temperature measurement effect by Matlab

2 實驗結果與分析

將著床后引燃可燃物，且火焰持續時間1 s以上的故障電弧迸濺熔珠定義為引燃可燃物的熔珠，無明火產生則定義為無法引燃可燃物的熔珠[10]。50組重復實驗中共得到35個引燃可燃物的迸濺熔珠，51個無法引燃可燃物的迸濺熔珠。

2.1 迸濺熔珠著床方式分類與統計

迸濺熔珠脫離線端熔池后，在重力作用下會進行自由落體運動，著床時的運動方向會與α-纖維素粉表面形成一定的夾角，進而形成不同的著床方式。對實驗中高速攝像機捕捉到的迸濺熔珠的著床方式進行觀察，發現迸濺熔珠的著床方式主要分為著床靜止和著床彈跳2類，如圖3～4所示。

圖4 著床彈跳的迸濺熔珠Fig.4 Bouncing splashed melted bead after landing

著床靜止的電弧迸濺熔珠與α-纖維素粉接觸后會嵌入α-纖維素粉中，不再發生運動；著床彈跳的迸濺熔珠與α-纖維素粉接觸后會在豎直方向或者水平方向上進行多次彈跳，當迸濺熔珠豎直方向的速度為0 m/s時，熔珠在α-纖維素粉表面開始滾動直至靜止。

對2類著床方式的迸濺熔珠引燃α-纖維素粉的數量進行統計，如表1所示。

表1 不同著床方式的迸濺熔珠引燃α-纖維素粉的數量統計Table 1 Statistics on number of splashed melted bead igniting α-cellulose powders with different landing methods

著床靜止的迸濺熔珠引燃α-纖維素粉的概率明顯小于著床彈跳的迸濺熔珠。如圖3所示，著床靜止的迸濺熔珠嵌入α-纖維素粉中后，在α-纖維素粉內進行傳熱，此環境中氧氣含量不足，氧氣與α-纖維素粉熱解氣體的混合難以達到該預混氣體燃燒的最小濃度，嵌入α-纖維素粉中的深度越深，熔珠越難以引燃α-纖維素粉；如圖4所示，在著床彈跳的迸濺熔珠每次與α-纖維素粉接觸位置處，α-纖維素粉在熔珠的沖擊下以粉狀形式在空氣中散開，進而減小α-纖維素粉的熱慣性，使得其在熔珠的持續高溫下更易被引燃。

2.2 引燃可燃物的熔珠著床過程溫度分布規律

2.2.1 引燃可燃物的熔珠著床過程

通過高速攝像機對迸濺熔珠著床后引燃α-纖維素粉的過程進行捕捉，選取具有代表性1組實驗中的10幀圖像，并對每幀圖像進行溫度測算，如圖5～6所示，可獲取迸濺熔珠溫度連續變化的等溫面圖。

圖5 引燃可燃物的熔珠著床過程Fig.5 Landing process of melted bead igniting combustibles

圖6 引燃可燃物的熔珠著床過程的等溫面圖像Fig.6 Isothermal surface images for landing process of melted bead igniting combustibles

由圖5～6可知，在6.7 ms時，出現火焰，此時熔珠顏色為白熾色，熔珠中心點的溫度在1 500 K左右。明火出現使得飛濺的α-纖維素粉還未來得及落下便迅速熱解，與氧氣混合充分，形成可燃氣體的大面積燃燒，可看到側面邊緣出現的藍綠色火焰，并向熔珠的方向蔓延。在125.4 ms時，火焰以熔珠為中心逐漸穩定并劇烈燃燒。隨著熔珠著床穩定位置周圍α-纖維素粉的熱解燃燒，熔珠周圍形成α-纖維素粉炭化層。炭化層減緩了熔珠對α-纖維素粉的熱量傳遞，使得炭化層之外的α-纖維素粉熱解速度降低，同時也阻礙α-纖維素粉熱解氣體的向外釋放。由于熱解氣體和空氣混合的可燃氣體含量減少，從第250.8 ms開始火焰邊緣的藍綠色火焰消失，火焰逐漸黯淡。火焰燃燒逐漸變弱，對熔珠的熱作用也逐漸減弱，熔珠顏色也由橘黃色逐漸變暗，直至1 625.1 ms，熔珠無法被高速影像捕捉。

2.2.2 引燃可燃物的熔珠著床過程中的溫度變化

圖7 引燃可燃物的著床靜止迸濺熔珠溫度隨著床時間變化Fig.7 Variation of temperature of static splashed melted bead igniting combustibles after landing with landing time

圖8 引燃可燃物的著床彈跳迸濺熔珠溫度隨著床時間變化Fig.8 Variation of temperature of bouncing splashed melted bead igniting combustibles after landing with landing time

引燃可燃物的迸濺熔珠著床后，著床靜止和著床彈跳的迸濺熔珠溫度均隨時間呈波動式降溫，根據溫度升降情況可將整個降溫過程分為4個階段。

1)第1階段(如圖7～8Ⅰ所示)為氧化升溫階段。該階段熔珠會因氧化還原反應，溫度會有所上升。對熔珠表面進行掃描電鏡(SEM)分析[22]，發現熔珠表面存在氧元素，如圖9所示。

圖9 熔珠外表面掃描電鏡影像Fig.9 SEM image of external surface of melted bead

表明熔珠著床后其表面會生成氧化銅或氧化亞銅。氧化還原反應放出的熱量作用于熔珠本身，使得其溫度上升。隨著熔珠外表面參與氧化反應的Cu的消耗，反應放出的熱量會減少，直至熔珠吸收的來自氧化還原反應的熱量和熔珠釋放的熱量達到平衡，氧化升溫階段結束。

2)第2階段(如圖8Ⅱ所示)為運動傳熱階段。該階段主要發生在著床彈跳的迸濺熔珠的溫降過程中。熔珠著床后發生反復多次彈跳，彈跳過程中其熱量以熱對流的方式不斷向空氣中散失，溫度急劇下降，直至其彈跳運動結束。對于著床靜止的迸濺熔珠而言，嵌入在α-纖維素粉中的熔珠難以發生運動，溫降過程中一般不存在該階段的傳熱過程，如圖7所示。

3)第3階段(如圖7～8Ⅲ所示)為明火燃燒階段。該階段，火焰出現，使得熔珠溫度再次上升。在熔珠的持續高溫作用下，α-纖維素粉不斷熱解，產生的熱解氣體與空氣混合，當混合氣體濃度達到最小點燃濃度時，便出現明火燃燒現象。在火焰對熔珠的熱反饋作用下，熔珠溫度再次上升。隨著燃燒反應的進行，熱解混合氣體的濃度逐漸減小，火焰強度減弱，直至火焰對熔珠的熱反饋的能量與熔珠的散熱釋放的能量逐漸達到平衡，明火燃燒階段結束。

4)第4階段(如圖7～8Ⅳ所示)為冷卻降溫階段。該階段，熔珠的溫度不斷下降。隨著熔珠著床位置α-纖維素粉的熱解燃燒，在緊貼熔珠表面的地方形成一定厚度的炭化層，炭化層使得熔珠的熱量難以向外傳遞，進而使得炭化層之外的α-纖維素粉難以熱解，供給燃燒的熱解氣體含量逐漸降低，直至火焰熄滅，熔珠溫度降至室溫。

2.3 無法引燃可燃物的熔珠著床過程溫度分布規律

2.3.1 無法引燃可燃物的熔珠著床過程

通過高速攝像機對迸濺熔珠著床后無法引燃α-纖維素粉的過程進行捕捉，選取具有代表性1組實驗中的10幀圖像，并對每幀圖像進行溫度測算，如圖10～11所示，可獲取迸濺熔珠溫度連續變化的等溫面圖。

由圖10～11可知，無法引燃可燃物的熔珠在整個著床過程中未出現明火燃燒現象，熔珠降溫較快。在著床的前53.3 ms，熔珠溫度在1 300 K左右。在80～120 ms熔珠顏色發生明顯變化，由白熾色變為淡黃色，等溫面圖中可看到熔珠由外向內逐漸降溫。在120 ms后，熔珠顏色開始黯淡，等溫面圖中熔珠由內向外開始散熱，此時熔珠中心點溫度在1 200 K左右。表明熔珠在自然冷卻時，其降溫過程是先由外向內逐漸降溫，隨后中心高溫區域再向外表面傳導熱量，當熔珠各區域溫度趨于相等后，再次由外向內逐漸降溫，如此循環直至熔珠溫度降至室溫。

圖10 無法引燃可燃物的熔珠著床過程Fig.10 Landing process of melted bead without igniting combustibles

圖11 無法引燃可燃物的熔珠著床過程的等溫面圖像Fig.11 Isothermal surface images for landing process of melted bead without igniting combustibles

2.3.2 無法引燃可燃物的熔珠著床過程中的溫度變化

同引燃可燃物的熔珠一樣，選取著床靜止和著床彈跳的無法引燃可燃物的迸濺熔珠連續高速影像進行溫度測算，觀察迸濺熔珠著床后前175 ms內的溫度隨著床時間的變化，如圖12～13所示。

圖12 無法引燃可燃物的著床靜止迸濺熔珠溫度隨著床時間變化Fig.12 Variation of temperature of static splashed melted bead without igniting combustibles after landing with landing time

圖13 無法引燃可燃物的著床彈跳迸濺熔珠溫度隨著床時間變化Fig.13 Variation of temperature of bouncing splashed melted bead without igniting combustibles after landing with landing time

由圖12～13可知，無法引燃可燃物的熔珠著床后其溫度先上升后下降，呈單波動式降溫，且降溫過程僅會經歷Ⅰ和Ⅳ階段。在這2個階段，無法引燃可燃物的熔珠著床降溫過程不受火焰的熱反饋作用的影響。

2)第2階段(如圖12～13所示)的溫降過程中，熔珠釋放的熱量大于熔珠吸收的來自氧化反應放出的熱量，熔珠溫度開始下降。但熔珠溫度較高，仍會使著床位置的α-纖維素粉發生熱解并逐漸炭化，炭化的α-纖維素粉不停向熔珠反饋熱量，在一定程度上減緩熔珠的溫降過程。相較于著床靜止的熔珠而言，著床彈跳的熔珠著床后的反復彈跳使得其能量更多地散失在空氣中，當著床穩定不再彈跳時，其傳遞給α-纖維素粉的能量遠小于著床靜止的熔珠。因此α-纖維素粉被著床彈跳的迸濺熔珠所炭化的面積較小，炭化層反饋給熔珠的能量較少，溫降速率較大。2類無法引燃可燃物的熔珠在著床第100 ms時，熔珠的溫降速率分別為0.35，1.28 K/ms，在175 ms內熔珠溫降速率一直處于增大的趨勢。

2.4 不同引燃能力迸濺熔珠典型組織分類與分析

2.4.1 引燃可燃物的熔珠典型組織分類與分析

觀察引燃可燃物的熔珠的金相組織特征并進行分析，發現其金相組織均呈現晶界明顯的等軸晶，如圖14所示。

圖14 引燃可燃物的熔珠的典型金相組織Fig.14 Typical metallographic structure of melted bead igniting combustibles

若金屬在未凝固時受到火焰的二次加熱作用，金屬組織會發生回復、再結晶、晶粒長大、熔化等一系列變化過程[3]。銅導線故障電弧迸濺熔珠作為1種以銅為主的金屬顆粒，其熔點為1 083 ℃，在火焰的一系列熱作用下也會發生類似上述過程的變化。如圖7～8所示，引燃可燃物的熔珠受到火焰熱反饋作用，熔珠呈雙波動式降溫，延長了熔珠金相組織的凝固時間，且在著床1 000 ms時，溫降速率小于0.5 K/ms。金相組織凝固時間的延長使得晶粒之間會相互吞并長大，其結果必然會導致晶界的移動。而晶界遷移會導致界面能的產生，彎曲的晶界為降低界面能，總是向曲率中心移動而趨于平直化，使得原本彎曲細小的晶界向平直的趨勢發展，造成晶粒不斷長大，且形狀更加規則，晶粒組織整體發生形狀改變并長大，最終使得晶粒形成等軸晶。

2.4.2 無法引燃可燃物的熔珠典型組織分類與分析

觀察無法引燃可燃物的熔珠的金相組織并進行分析，發現其金相組織不穩定。根據無法引燃可燃物的熔珠的典型金相組織特征將其分為A，B，C 3類，結果如圖15所示。

圖15 無法引燃可燃物的熔珠的典型金相組織Fig.15 Typical metallographic structure of melted bead without igniting combustibles

A類熔珠的金相組織呈現晶界較細且不清晰的等軸晶，內部氣孔多；B類熔珠的金相組織呈現以氣孔為中心生長的柱狀晶和等軸晶；C類熔珠的金相組織以胞狀晶、柱狀晶和樹枝晶為主，晶粒生長較為繁密，枝晶臂有明顯但雜亂的生長方向，晶粒的生長方向具有無序性。

對3類無法引燃可燃物的熔珠的數量進行統計，結果如表2所示。

表2 無法引燃可燃物的熔珠金相組織特征統計Table 2 Statistics on metallographic structure characteristics of melted bead without igniting combustibles

無法引燃可燃物的熔珠接觸α-纖維素粉后不會受火焰熱反饋作用，但熔珠著床位置的α-纖維素粉會被炭化，炭化的α-纖維素粉會將部分熱量反饋給熔珠。α-纖維素粉炭化面積不同，使得熔珠的溫降過程出現不同程度的減緩。無法引燃可燃物的熔珠溫降速率的差異影響著其金相組織凝固速率。金相組織凝固較快的熔珠，晶粒還未來得及長大就已凝固，不易于形成晶界明顯的等軸晶；金相組織凝固速率小的熔珠，晶粒生長時間較長，可能形成晶界明顯的等軸晶。因此，無法引燃可燃物的熔珠的金相組織中出現胞狀晶和樹枝晶的C類熔珠占比最多，達到58.83%，其中溫降速率較大的著床彈跳迸濺熔珠占60%；而呈現等軸晶的A類熔珠占比僅為11.76%，溫降速率較小的著床靜止迸濺熔珠占83.33%。

3 結論

1)電弧迸濺熔珠著床時，與可燃物之間存在一定的速度偏角，出現著床彈跳和著床靜止2類熔珠，相較于著床后直接嵌入可燃物中的著床靜止迸濺熔珠而言，可燃物在著床彈跳迸濺熔珠的高溫作用下熱解所產生的氣體能夠和氧氣混合得更充分。

2)引燃可燃物的電弧迸濺熔珠受到火焰的熱反饋作用，其溫度呈現雙波動式降溫，相較于無法引燃可燃物的熔珠，其冷卻凝固所需時間更長，致使等軸狀晶粒成為引燃可燃物的電弧迸濺熔珠的典型組織，可據此推斷認定該熔珠為引發火災的疑似電弧迸濺熔珠。

3)無法引燃可燃物的電弧迸濺熔珠僅受銅氧化放熱的影響，其溫度呈現單波動式降溫，最終呈現1個陡然下降的降溫過程，其冷卻凝固時間更短，會出現有別于等軸晶的樹枝晶和胞狀晶，可根據樹枝晶和胞狀晶認定現場中的電弧迸濺熔珠，證明發生過電氣故障。