火灾现场铁磁体剩磁分布与变化规律研究

邓 亮，陈兵兵

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

剩磁法是电气火灾与雷击火灾调查中十分重要的鉴定方法，其原理是当线路发生短路或有雷电经过时，会在异常强的电流周围产生强大的磁场，处于磁场中的铁磁体受到磁化作用，磁场逸去后铁磁体仍保持一定的磁性[1-3]。当调查人员怀疑火灾是由现场中导线或雷电引起而又无熔痕可作依据时，可以对导线及雷电周围铁磁体进行剩磁检测，依据剩磁的有无和大小来判定火灾现场中是否出现过短路及雷电现象。

我国《电气火灾原因技术鉴定方法》第2部分剩磁法(GB 16840.2—1997)对测量火场中导线及雷电周围铁磁体剩磁的步骤、方法、判定标准进行了规定。然而，调查实践中剩磁法的使用频率不高，一个重要原因就是火场中测量的剩磁值随着部位的移动出现突然增大或变小的变化，调查人员难以掌握其规律。现行标准也仅规范了剩磁值判定的大小范围，并未指明其是如何分布变化的，因此，调查人员无法依此选取合适的测量点获得最有效的剩磁值，进而做出判定。本文通过模拟导线短路产生的磁场，研究了处于导线磁场中被磁化的钢制锯条剩磁的分布和变化规律，为现场勘验中如何准确选取测量位置、获取可靠的剩磁值提供试验依据。

1 实验部分

1.1 试验材料与设备

钢制锯条(300 mm×10.7 mm×1.0 mm)作为试验铁磁体，电焊机与4 mm2铜导线模拟闭合回路，H-2000-2型特斯拉计(量程0～100 mT，精度为±2.5%，使用温度为5～40 ℃)用于测量试验中铁磁体的剩磁值。

1.2 试验设计

将电焊机与铜导线相连，构成闭合回路，调整电焊机电压，改变通过导线的电流，使导线电流值达到300 A，通过短时开关电焊机电源，模拟导线短路。在同一水平面上，将钢制锯条与导线分别垂直交叉、平行放置，然后在磁场中磁化，具体设计如下：

1.2.1 垂直交叉模型。在同一水平面上，将钢制锯条与铜导线垂直交叉放置，钢制锯条中心线恰好与铜导线重合(设定为O组)，然后使钢制锯条在磁场中磁化。选取新的一组钢制锯条，不改变钢制锯条与铜导线垂直交叉位置关系，分别向左、向右移动钢制锯条中心线距铜导线各12 cm(a与a′组)、13 cm(b与b′组)、14 cm(c与c′组)、14.5 cm(d与d′组)、16 cm(e与e′组)，然后使钢制锯条在磁场中磁化，如图1所示。

图1 钢制锯条与铜导线垂直交叉放置

1.2.2 平行放置模型。在同一水平面上，分别将钢制锯条平行放置在距离导线上、下各1 cm(x与x′组)、2 cm(y与y′组)的位置，然后使钢制锯条在磁场中磁化，如图2所示。

图2 钢制锯条与铜导线平行放置

1.3 试验步骤

试验时，先调整电焊机电压，使通过铜导线的电流值预先达到试验设定的300 A。按照试验设计放置好钢制锯条后，接通电焊机电源，让电流通过铜导线，4 s后断开电源，模拟钢制锯条在短路电流为300 A时，被导线周围产生的磁场磁化。磁化后静置30 min，用特斯拉计测量钢制锯条平滑锯身一侧各点处的剩磁值。

2 试验结果与分析

2.1 垂直交叉位置钢制锯条的剩磁分布规律

除e与e′中钢制锯条剩磁值均为0 mT外，其余五组都测得剩磁值。以O组为例，钢制锯条剩磁从锯条中心线与铜导线交叉处开始，至右侧1.2 cm与左侧1.5 cm时，分别由0 mT达到剩磁最大值0.75 mT与-0.65 mT，然后逐步降低至0 mT。其中，以钢制锯条中心线为分界线，左右两侧锯条剩磁大小及分布基本对称，仅方向相反。说明钢制锯条对称放置时，导线周围的磁场对两侧锯条的磁化效果基本是一样的，但受磁场强度和方向的影响，在电流为300 A时，产生的磁场只能对以导线为圆心、半径约为6.0 cm范围内的铁磁体产生较为明显的磁化。磁场逸去后钢制锯条仍保持一定磁性，且锯条两侧剩磁大小及分布左右基本对称，仅方向相反，如图3所示。

图3 钢制锯条中心线与铜导线

需要注意的是，依据毕奥-萨伐尔定律，稳恒传导电流在空间产生的磁感应强度与电流成正比，与导线距离成反比，因此，在电流大小确定后，距离导线越近，产生的磁场越强，铁磁体被磁化后保留的剩磁也应该越多。但试验表明，钢制锯条最大剩磁值并不在距离导线最近处，而是距离导线左右侧1.0～1.5 cm处，显然与磁场强度强弱分布规律不一致。笔者认为，这一现象与毕奥-萨伐尔定律并不矛盾，剩磁的分布和大小变化不仅与磁场强弱有关，还与方向关系紧密。一方面，钢制锯条在磁场中被磁化，距离导线越近，磁场强度越强，磁化效果越强，剩磁也应该越大；但另一方面，钢制锯条作为一个实体物，某一区域的剩磁还与此处锯条内部磁畴受若干不同方向外磁场作用后，磁矩最终趋于某一方向时的大小有关[4-6]。本试验中，放置在以导线为圆心的同心圆磁场的钢制锯条，越靠近同心圆磁场中心，磁场强度虽然增加，但方向的一致性变差，导致此处部分剩磁互相抵消，剩磁值反而降低，这也是剩磁曲线先升后降的原因。

然而，在实际火场中，铁磁体并非总是恰好被导线对称分割。在a与a′组中，当向左移动钢制锯条至右端距离导线3.0 cm时(a组)，右侧钢制锯条剩磁最高值出现在右侧端部，达到了1.1 mT，高于O组最高值。而左侧剩磁值则从交叉点开始，至左侧1.5 cm处达到剩磁最大值-0.8 mT，然后逐步降低至0 mT。在a′组中，其剩磁分布规律与a组基本相同，但由于钢制锯条所处位置恰好与a组相反，剩磁曲线与a组呈旋转对称，如图4所示。

图4 a与a′组剩磁分布规律

对比O组，当左右移动钢制锯条一端至导线附近时，由于导线两侧锯条长度出现明显差距，两侧剩磁曲线也不再对称，特别是较短一侧锯条的剩磁值，由于空间的限制，出现了剩磁叠加，至端部达到最高值的现象。说明磁场强度一定时，如果铁磁体长度足够，剩磁值依然呈现由交叉点开始逐渐递增，至最高值后又降低的规律。但如果铁磁体长度小于磁场磁化范围时，与另一侧反方向等量的剩磁并不会逃逸出去，而是被挤压在这一侧的铁磁体内，导致剩磁值叠加，出现了剩磁数值增高的现象。

在a与a′组和其余三组(b与b′、c与c′、d与d′)的对比中，以钢制锯条右侧剩磁值为例，在a、b、c、d组中，由于钢制锯条右端距离导线较近，都出现了剩磁值叠加，端部剩磁值为最高值的现象。除d外，c组右侧钢制锯条最短时(1 cm)，端部剩磁最高值最大，a组右侧钢制锯条最长时(3 cm)，端部剩磁最高值最小。在a′、b′、c′、d′组中，虽然剩磁最高值都出现在1.0 cm处，但剩磁最高值大小并不相同。a′组右侧钢制锯条最短(12 cm)，但剩磁最高值最大，d′组右侧钢制锯条最长(14.5 cm)，但剩磁最高值最小。说明铁磁体长度对剩磁最高值是有影响的，铁磁体一端越短，剩磁值叠加效应加剧，端部剩磁最高值越大。铁磁体一端越长，剩磁被稀释效果越明显，剩磁最高值越小，如图5所示。

而d组剩磁值降低，笔者认为依然与靠近同心圆磁场中心，磁场方向的一致性变差，部分剩磁互相抵消有关。从现有数据来看，当通过电流为300 A时，以导线为圆心、半径为1.0～1.5 cm的同心圆磁场中，对钢制锯条而言都会出现不同程度的剩磁抵消，剩磁值降低的情况。a′、b′、c′、d′中剩磁最高值都出现在1.0 cm处，之后至交叉点剩磁值逐渐下降，也印证了这种情况。

图5 钢制锯条右侧剩磁值分布比较

2.2 平行位置钢制锯条的剩磁分布规律

当钢制锯条与导线在同一水平面上平行放置时，无论是x与x′，还是y与y′，钢制锯条剩磁值均为0 mT。联系钢制锯条与导线垂直交叉放置试验中，e与e′组中剩磁值也为0 mT的情况，笔者认为两者存在内在的联系。在e与e′组剩磁试验中，准确地说钢制锯条虽然垂直于导线，但实际并未交叉，钢制锯条始终处于导线磁场的一侧。而钢制锯条与导线平行放置时，钢制锯条也始终在导线磁场的一侧，此时，钢制锯条的两端在磁场中的磁化方向同时保持一致，未出现与其方向相反的其他磁场。而所有被磁化后能够保持剩磁的铁磁体中，被磁化时铁磁体两端始终受到两个方向相反磁场的影响，当磁场逸去后，铁磁体的剩磁场也一定表现为两端磁场方向相反，磁场强度总体相等的分布规律[7-8]。因此，如果钢制锯条始终在导线的同一侧，锯条每部分在磁场中的磁化方向相同，一旦导线磁场逸去，由于没有反方向的磁场牵引，单极方向的磁场无法持续保持，剩磁将无法保留。这一试验结果也说明，在火灾现场如果测量到靠近通电导线的某一铁磁体剩磁值为零，并不能就此判定该导线未通过大电流，还要考虑该铁磁体是否存在上述情况，否则只会贻害调查工作。

3 结论

3.1 铁磁体与导线垂直交叉时，通过电流导线周围的磁场会对一定范围的铁磁体产生磁化现象，铁磁体两侧的剩磁强度总体相等，但方向相反。

3.2 越靠近同心圆磁场中心，磁场强度虽然增加，但方向的一致性变差，铁磁体此处的部分剩磁互相抵消，剩磁值反而降低。此时，在铁磁体足够长的情况下，铁磁体剩磁呈现逐渐增高至最高值，再缓慢降低的分布规律。如果铁磁体长度小于磁场的磁化范围，剩磁会逐渐增加，至端部达到最大值。

3.3 铁磁体与导线垂直交叉时，铁磁体一端越短，剩磁值叠加效果越明显，剩磁最高值越大。铁磁体一端越长，剩磁被稀释效果越明显，剩磁最高值越小。

3.4 如果铁磁体始终在导线的同一侧，铁磁体每部分在磁场中的磁化方向相同，单一方向的磁场无法持续保留，导致无剩磁残留。