過電流誘發通電導線短路故障發生過程與熔痕特征

李朝陽，趙彬岐

1.貴州省消防救援總隊 法制與社會消防工作處，貴州 貴陽 550000；2.中國人民警察大學 防火工程學院，河北 廊坊 065000

0 引言

我國應急管理部消防救援局公布的數據顯示，2020年共發生25.2萬起火災，其中電氣火災8.4萬起，占火災總數的33.3%[1]。當線路中電流值過高并持續足夠長時間時，導線線芯持續發熱，致使外層絕緣材料發生熱解反應、軟化下垂，形成袖套狀痕跡，造成導線失效進而引發火災[2]。由于受內部線芯持續加熱的作用，絕緣層熱解程度越來越高，導線絕緣層炭化導電性增強，進而形成導電路徑，導致導線發生短路擊穿[3]。2018年，哈爾濱市某酒店發生火災，造成20人死亡，23人受傷，這場火災的起火原因就是由于管組風機轉子卡阻，造成導線電流升高，誘發短路進而引發火災[4]。過電流誘發短路過程涉及線芯發熱、絕緣熱解、電弧擊穿等復雜現象，具有較高火災危險性，在火災調查工作中亟須對過電流誘發短路故障過程及熔痕特征進行系統研究，但關于此方面的研究較少。

目前，對引發電氣火災的機理研究，多集中于炭化路徑短路、熱顆粒噴濺等常見電氣故障誘發導線短路的研究。Beland[5]提出流經導線的電流比額定電流高很多且作用一定時間是能否產生袖套現象的條件。Ferrino-Mcallister等[6]對比分析導線在內部過負荷和外部輻射熱作用下的變形特征及短路時間。Hoffmann等[7]、Novak等[8]、Fisher等[9]及Iwashita等[10-11]利用外部熱源對不同導線進行熱輻射，以模擬火場中火焰或熱煙氣對導線的破壞作用，在線芯熔痕、絕緣擊穿、短路時間及短路機理等方面取得了一定成果。在絕緣表面火焰蔓延方面，Fernandez-Pello等[12]在外加輻射熱作用下，研究了絕緣電纜表面引燃延遲時間和火焰蔓延速率。但上述研究均集中在導線受到外部加熱作用發生的故障，而導線受到內部熱作用后，發生絕緣失效和短路擊穿現象的過程與其存在本質區別。本文對常用銅芯聚氯乙烯絕緣護套扁形導線(RVVB)，在大于額定電流條件下，研究導線因過電流故障導致線芯過熱、誘發短路擊穿現象、引發火災事故的過程，并分析短路熔痕特征，為準確認定此類火災事故提供依據。

1 試驗部分

選用正泰電器有限公司生產的、額定電流為8 A的1.0 mm2RVVB導線(見圖1)。該導線由雙芯銅線組成，兩根線芯均由20根細線芯絞合而成，分別由聚氯乙烯(PVC)絕緣包裹，外層再由PVC護套將兩根導線包裹，線芯直徑為1.13 mm，絕緣材料厚度為0.8 mm。試驗導線截取長度為36 cm，兩端分別去掉3 cm絕緣層，經由德力西HDBE-63 C型2P小型斷路器與試驗設備相連接。

圖1 1.0 mm2RVVB導線

試驗設備主要有電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置和可調式變阻器(中國人民警察大學自主研發)。電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置電流調節范圍為30～300 A，精度為0.1 A；可輸出50 Hz的交流電，電壓調節范圍為0～660 V，精度為1 V；電流電壓的采集頻率可達到1.5×104Hz。可調式變阻器內置額定功率為3和6 kW電阻各1個，額定功率為1.5 kW電阻11個，最大功率達25.5 kW，在220 V交流電壓下最大可控電流為66 A。

試驗裝置如圖2所示。通過電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置輸出220 V交流電壓，利用可調式變阻器設定45,48,51,54,57,60,63,66 A共8個試驗電流值，每個電流值分別進行10組平行試驗，以導線發生短路故障，或試驗時間達1 h為限。使用Canon 5DMarkⅣ照相機記錄導線過電流誘發短路故障全過程。使用Phantom VEO 640高速攝像機捕捉短路拉弧瞬間現象，以研究短路電弧引燃導線的過程。

圖2 試驗裝置示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 過電流誘發導線短路擊穿過程

當通過導線電流過大時，線芯會持續釋放熱量，并由內及外作用于絕緣層。由于絕緣層的主要材料為PVC，根據其熱塑性，表面溫度升高至60 ℃后就會發生軟化，達到173～183 ℃時出現起泡現象，并冒出白煙。當絕緣內層進一步熱解，會出現炭化、產生縫隙，此時導線發生短路故障存在兩種情況：一種情況是兩根線芯間形成離子介質，導線發生電弧擊穿；另一種情況是絕緣脫離線芯，導致兩根線芯直接接觸，進而引發短路故障。

利用Photoshop軟件的視頻截幀功能，對過電流誘發導線短路故障進而引起明火燃燒的過程視頻進行處理分析。圖3為導線在45 A過電流作用下，發生短路故障進而引起燃燒的過程。當過電流作用于導線243 s時，絕緣層因受到線芯持續發熱作用，發生軟化、起泡，并開始冒出白煙；絕緣層及護套持續受熱，在519 s時出現炭化，并出現縫隙，形成炭化路徑型短路發生的條件；542 s時導線發生初次短路，整個短路拉弧過程持續近3 s，因短路電弧產生瞬間的高能量，絕緣層前期熱解產生的可燃氣體被引燃，出現明火，火焰進而將絕緣殘留物引燃，開始沿導線向兩端蔓延；火焰在燃燒27 s后，逐漸熄滅。

圖3 導線在45 A條件下誘發短路進而引起明火燃燒的過程

在線芯發熱前期，導線絕緣層由內向外散熱，當溫度達到PVC軟化溫度時，絕緣層開始軟化鼓泡，從缺口處冒出白煙。在持續受熱一段時間后，絕緣層由內及外出現炭化，并會開裂形成間隙。SFPE[4]中指出：當絕緣層產生間隙，流經導體的電流大于0.1 A時，電子可將空氣作為電離介質，形成回路從而產生擊穿現象。由于電弧溫度在標準大氣壓下可達到6 500～12 000 K[4]，因此當發生擊穿電弧時，電弧可將絕緣層前期熱解產生的HCl氣體和殘留物引燃，產生明火燃燒，且火焰會沿導線水平方向蔓延。

2.2 過電流誘發導線初次短路擊穿時間分析

試驗發現，導線電流在39和42 A條件下，沒有發生短路擊穿現象，在45 A時，導線有7次平行試驗未誘發短路故障，而其他7個電流值都發生了短路故障。將導線在不同過電流下短路故障發生時的初次短路時間進行統計分析，結果如圖4所示。分析圖4中數據可知，在所設定的試驗條件下，最長初次短路時間出現在45 A時，為1 796 s；最短初次短路時間出現在66 A時，為46 s。對初次短路平均時間進行擬合，可得到圖4所示曲線。其擬合參數R2為0.991 6，表明初次短路時間與電流值之間存在良好的指數遞減關系，即電流值越大，導線過電流誘發短路故障的概率越高，產生短路電弧時間越短。若導線附近有可燃物存在，則當電流達到某一條件誘發導線發生短路拉弧時，會迅速將可燃物引燃，從而引發火災事故。

圖4 不同過電流下導線發生初次短路的時間

2.3 過電流誘發導線短路持續拉弧現象

通過高速影像發現，導線在第一次擊穿發生后，由于電源側仍處于通電狀態，兩根導線間仍具備發生短路的條件，因此導線會出現向電源側移動的間歇性持續拉弧現象。NFPA 921指出[3]，如果電路中出現其他短路擊穿位置或下游發生擊穿現象，那么短路電弧應與下游電弧同時發生或在下游電弧之后發生。由于導線在初次短路擊穿發生后，會出現間歇性持續拉弧現象，電弧高溫作用時間隨之延長，因此導線火災危險性大大增加。利用Photoshop軟件截幀功能，可捕捉到導線發生持續拉弧的時間間隔及電弧發生次數。圖5為導線在45 A時發生的持續拉弧現象，第一次電弧發生328 ms后會發生第二次拉弧現象，在3 606 ms后發生第五次拉弧。由于拉弧間隔很短、電弧自身能量很高，因此形成的電弧能迅速點燃絕緣層最初熱解產生的可燃氣體，并引燃絕緣層。

圖5 導線在45 A時擊穿電弧的時間間隔

統計導線在不同過電流下發生持續拉弧時的電弧次數(見表1)。由表1數據分析可知：導線發生持續拉弧次數是隨機的，導線在45 A時發生持續拉弧的試驗組數比其他電流值少，多為一次拉弧；當I≥48 A時，導線發生持續拉弧的現象增多，在63 A時所有試驗中都發生了持續拉弧現象；在同一電流下一組試驗中導線發生持續拉弧的次數最多達到13次，分別出現在54和63 A。

表1 導線發生短路故障時的拉弧次數

2.4 導線短路熔痕組織形貌特征

圖6為試驗中導線過電流誘發短路故障產生的線芯熔痕。從圖6可以看出，因導線發生持續短路擊穿現象，線芯多處出現熔斷，同時產生多個線端熔痕和電弧熔珠。線端熔痕宏觀形貌主要可分為圓珠狀、尖狀和斷口狀，部分線芯上會出現小結痂痕，是典型的短路電弧作用熔痕。電弧熔珠多為半球狀，同時在產生過程中多個熔珠會粘連在一起，形成不規則狀。導線在發生間歇性拉弧時，可能會產生多個熔斷點，因此也會收集到一小段線芯熔痕。在實際火災現場，調查人員常可以提取到大量導線線芯熔痕和電弧熔珠，但從試驗可以看出，并不是所有熔痕都可能引發火災，因此在根據熔痕特征認定起火原因時，還應結合實際火場情況和其他痕跡證據。

圖6 過電流誘發短路故障產生的線芯熔痕

對收集到的線端熔痕和熔珠的金相組織進行觀察分析，得到兩者的典型金相組織特征，如圖7、圖8所示。圖7中導線線端熔痕的晶粒組織主要為粗大的柱狀晶，與本體組織之間有較明顯的分界線，具有指向本體的明顯方向性。圖8為電弧熔珠的兩種典型金相組織。圖8(a)中，熔珠的晶粒主要為樹枝晶，晶體結構緊密而有序地排列，具有明顯的方向性，孔洞數量較少且尺寸較小。圖8(b)中，熔珠晶粒為等軸晶，孔洞數量明顯增多，尺寸有所增大，形狀較圓。兩種金相組織類型存在明顯不同，但這兩種電弧熔珠是在同一過電流條件下產生的，因此在實際物證鑒定工作中遇到此種情況時，并不能以此為依據認定電氣線路發生的短路類型。

圖7 線端電弧熔痕金相組織

圖8 電弧熔珠金相組織

3 結論

通過對過電流誘發通電導線短路故障進行試驗研究，得出如下結論：(1)當過電流持續作用于導線時，線芯會持續發熱，熱量由內及外作用于絕緣層，內部絕緣層最先發生熱解反應，外部絕緣層經過起泡、冒煙、炭化后，導線會發生短路擊穿現象，并出現燃燒現象。(2)過電流誘發導線的初次短路時間與電流值之間存在良好的指數遞減關系，最長初次短路時間出現在45 A時，為1 796 s，最短初次短路時間出現在66 A時，為46 s。(3)過電流導線在發生初次擊穿后，導線會出現向電源側移動的間歇性持續拉弧現象，在45 A時多為一次拉弧，I≥48 A時發生持續拉弧的試驗組數增多，在54和63 A的同組試驗中持續拉弧次數最多可達到13次。(4)過電流誘發導線短路后，線芯受電弧作用會形成線端熔痕和電弧熔珠，線端熔痕的金相組織主要為粗大的柱狀晶，同種條件下產生的電弧熔珠存在不同金相組織特征，多為樹枝晶和等軸晶。