铜导线一次短路线端熔珠与喷溅熔珠金相组织对比分析

张　臻

(中国人民武装警察部队学院研究生部，廊坊 065000)



铜导线一次短路线端熔珠与喷溅熔珠金相组织对比分析

张臻

(中国人民武装警察部队学院研究生部，廊坊 065000)

为了提高一次短路熔珠鉴定的准确性，模拟单芯铜导线一次短路故障，获得不同实验条件下的线端短路熔珠和喷溅短路熔珠样品，用金相显微镜对短路熔珠金相组织进行观察。结果表明：线端熔珠与喷溅熔珠的晶粒形态、晶粒大小以及内部气孔分布特征存在明显的区别，不宜适用同一的标准进行鉴别。

铜导线一次短路线端熔珠喷溅熔珠金相组织

线端熔珠与喷溅熔珠分别是指短路瞬间导线被熔断后，残留在熔断导线端头的圆珠状熔痕和从短路点飞出的金属液滴冷却而形成的圆珠状熔痕[1]。研究导线短路熔痕金相组织特征，确定火灾是否由导线短路引起，对查明起火原因，认定火灾事故责任具有重要意义。目前我国对短路熔痕的研究和鉴定主要依据《电气火灾原因技术鉴定方法》，以金相分析法为主(GB1840.4-1997)[2]，该标准并未对提取的短路线端熔珠和喷溅熔珠进行区分和要求。国外学者对金相分析法鉴别导线一次短路熔痕持谨慎态度，金相分析法主要应用在短路熔痕与过负荷、火烧熔痕的鉴别，对于线端熔珠与喷溅熔珠金相组织的对比并未有深入的研究[3]。

由于铜导线一次短路线端熔珠与喷溅熔珠所处的冷却条件存在较大差异，因而二者的金相组织可能存在明显区别。本实验通过模拟实验，研究了不同短路电流、不同截面积单芯铜导线一次短路线端熔珠与喷溅熔珠的金相组织特征，考察两者金相组织的差异及短路电流和导线截面积对金相组织的影响。

1　实验部分

1.1实验设备与材料

Axio Observer A1m蔡司金相显微镜(德国卡尔蔡司公司生产)；HZ-1型火灾痕迹物证综合实验台(武警学院火灾物证鉴定中心自主研发)；PG-2D型金相试样抛光机(上海金相机械设备有限公司生产)。

铜芯聚氯乙烯绝缘电线(BV)：2.5mm2、4mm2。

金相砂纸；牙托粉；自凝牙托水；氧化铝金相试样抛光粉；氯化高铁；盐酸；无水乙醇。

1.2实验过程

利用HZ-1型火灾痕迹物证综合实验台在导线空气敷设长期允许载流量[4]的5、6、7倍电流挡位下(2.5mm2单芯铜导线取150A、180A、210A3个挡位，4mm2单芯铜导线取200A、240A、280A3个挡位)，使2.5mm2和4mm2截面积单芯铜导线分别发生一次短路制成短路熔珠。

实验采用先通电再短接的方法，使带电导线线端局部裸露线体接触打弧，形成熔珠。待熔珠冷却到室温后，线端熔珠直接由导线上截取，喷溅熔珠由表面覆盖石膏板的接盘进行收集(接盘距短路点水平高度差为20cm)。使用自凝牙托水和牙托粉对试样进行镶嵌，依次经过研磨、抛光和浸蚀后，使用金相显微镜对短路熔珠进行观察和拍照记录，线端熔珠与喷溅熔珠外观形貌如图1所示。

2实验结果

2.1不同短路电流的一次短路熔珠金相组织特征

4mm2铜导线在200A、240A、280A三个电流挡位发生短路时，线端熔珠与喷溅熔珠的金相组织如图2和图3所示。

由图2和图3可以看出，一次短路线端熔珠与喷溅熔珠的金相组织存在明显区别，线端熔珠的金相组织多为粗大的柱状晶，熔珠与导线衔接处界线分明，晶粒具有垂直于分界线的明显方向性，截面内气孔较多，形状圆润，分布均匀。随着短路电流的增大，柱状晶变得更加纤细，气孔没有明显的规律性变化。喷溅熔珠的金相组织多为细小的柱状晶，没有明显的方向性，气孔较少，多集中分布在熔珠外表面附近，中心部位几乎没有气孔。随着短路电流的增大，熔珠晶粒和气孔均没有明显的规律性变化。

2.5mm2单芯铜导线一次短路线端熔珠与喷溅熔珠的金相组织特征以及随短路电流增加的变化规律与4mm2单芯铜导线基本相同。

2.2不同导线截面积的一次短路熔珠金相组织特征

2.5mm2和4mm2单芯铜导线在其空气敷设长期允许载流量的6倍电流条件下一次短路形成的线端熔珠和喷溅熔珠金相组织如图4和图5所示。

由图4和图5可以看出，不同截面积的铜导线无论线端熔珠还是喷溅熔珠的金相组织均没有明显差异。线端熔珠的金相组织均以粗大的柱状晶为主，方向性明显，熔珠与导线衔接处界线分明，截面内气孔较多，形状圆润，分布均匀；喷溅熔珠的金相组织均以细小的柱状晶为主，没有明显的方向性，气孔较少，多集中分布在熔珠外表面附近，中心部位几乎没有气孔。因此，导线截面积对一次短路熔珠金相组织的影响不明显。

对不同截面积铜导线在其5倍和7倍短路电流下的金相组织进行观察，也得到了一致的实验结果。

3　分析与讨论

3.1线端熔珠与喷溅熔珠金相组织特征对比分析

铜导线短路熔珠中的气孔以析出性气孔为主。导线发生一次短路时瞬间电弧温度高达2000～3000℃，远高于铜的熔点1083℃[6]，导线局部熔化，气体溶入金属。随温度的下降，溶解在液态金属中的气体元素会因在金属中的溶解度的显著降低而析出[7]。线端熔珠由于冷却速度较快，熔珠内的气体来不及逸出体外，其金相组织内部气体聚集而形成较多气孔，分布比较均匀。而喷溅熔珠由于冷却速度较慢，溶解于液态金属中的气体有较多时间外逸，熔珠中心部位的气孔较少，气孔多分布在熔珠外表面附近。

3.2短路电流对一次短路熔珠金相组织的影响

随着短路电流的增加，线端熔珠柱状晶逐渐变纤细。产生这种现象的原因是随着电流的增加，导线因迅速熔断而使熔珠冷却速度增加[8]，过冷度增大，N/G的比值增大，导致晶粒细化。喷溅熔珠因其凝固过程与线体状态没有直接联系，故熔珠的金相组织并没有因短路电流的变化而产生较大影响。

3.3导线截面积对一次短路熔珠金相组织的影响

导线截面积无论对线端熔珠还是喷溅熔珠的金相组织均没有明显的影响。对于线端熔珠，较大的导线截面积形成的熔珠尺寸也较大，热量更不易于通过熔珠表面向周围空气散失。然而由于铜的导热系数很高，熔珠内的热量大部分通过导线散失，其冷却速度与熔珠尺寸关系不大，因此熔珠的金相组织并没有明显的变化。对于喷溅熔珠，由于不同截面积单芯铜导线一次短路实验条件下，提取的熔珠尺寸差距不大，结晶环境相同，冷却速度相近，因此熔珠的金相组织特征也比较相似。

4　结论

通过对实验结果的分析讨论，得到以下结论：

(1)线端熔珠与导线衔接处界线分明，金相组织多为粗大的柱状晶，且具有垂直于分界线的明显方向性，气孔较多，形状圆润，分布均匀。而喷溅熔珠的金相组织多为细小的柱状晶，没有明显的方向性，气孔较少，多集中分布在熔珠外表面附近，中心部位几乎没有气孔。

(2)随着短路电流的增大，线端熔珠柱状晶变得更加纤细，喷溅熔珠的金相组织并未发生明显变化；导线截面积对线端熔珠和喷溅熔珠的金相组织形貌均没有明显的影响。

(3)采用金相分析法对铜导线短路熔珠进行鉴定时，应注意熔珠的来源所在，不能笼统的以柱状晶的粗大或细小作为判断一次短路或二次短路的标准。

[1]张学楷.低压线路短路火灾的机理及原因认定[J].建筑电气,2009,28(1):7-10.

[2] 国家技术监督局.GB 16840.4-1997 电气火灾原因技术鉴定方法 第4部分：金相法[S].北京:中国标准出版社,1998.

[3] Scott A Wright, John D Loud, Richard A. Blanchard. Globules and beads: what do they indicate about small-diameter copper conductors that have been through a fire?[J].Fire Technology,2015,51(5):1051-1070.

[4] 刘光源.电子电工实用手册[M].北京:中国电力出版社,2012:151-155.

[5] 崔忠圻,刘北兴.金属学与热处理原理[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2007:41-63.

[6] 邸曼,陈强.镇流器火灾危险性分析及火因鉴别方法的研究[J].消防科学与技术,2000,(4):52-54.

[7] 张明,邸曼,夏大维,等.铜导线短路熔痕内部孔洞形态特征参数的研究[J].消防科学与技术,2011,30(7):651-654.

[8] 莫善军,彭文敬,梁栋等.电气火灾一次短路熔痕金相组织特征参数定量分析[J].中国安全生产科学技术,2012,8(1):63-70.

Metallographic analysis on primary short circuited melted beads of copper wire.

Zhang Zhen

(GraduateFaculty,ChinesePeople’sArmedPoliceForceAcademy,Langfang065000,China)

In order to improve the accuracy of indentifying primary short circuited melted beads, the primary short circuit of copper wire was simulated under several experimental conditions. The wire end melted beads and the splashing melted beads were both obtained, and their microstructure were observed by metallurgical microscope. The results showed that there were obvious differences in shape and size of crystallites and distribution of gas holes between the two kinds of melted beads, it was inappropriate to identify them by using unified standard.

copper wire; the primary short circuit; wire end melted bead; splashing melted bead; metallurgical structure

张臻，男，1991年出生，中国人民武装警察部队学院安全工程专业在读硕士研究生，主要从事火灾调查和火灾物证鉴定方面的研究，E-mail：947487418@qq.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.02.017

2015-12-09