铝导线短路过程的高速影像分析

吕会绪，谌康伟，申羽彤

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

短路是电气火灾引发的主要原因之一。线路在发生短路时，短路熔痕(熔珠)是在极短时间内形成的，导线在距离短路点1 cm的部分会产生比较高的温度。因此在短路点会形成一个过渡区，在过渡区的两边分别是熔化区和非熔化区[1]。当导线短路发生时，短路点由于高温作用会形成一个小熔池，短路结束后，这个熔池会在相当大的过冷度下结晶成铸态组织，在金相显微镜下观察，会发现短路熔珠的金相组织有很多是胞状晶和柱状晶[2]。短路熔珠金相组织的内部会出现很多孔洞，这是因为在发生短路的瞬间，金属在熔化状态吸收了部分空气，空气还没有来得及释放出去，在过冷度下就已经凝固，所以把空气留在了熔珠内部。发生短路的瞬时温度在短路点可达到2 000～3 000 ℃。20世纪80年代以来，我国就有了比较全面可靠的短路熔珠鉴定方法。目前，剩磁法、宏观法、金相法、成分分析法、微观形貌法和模拟试验法这6种鉴定方法是沈阳消防科学研究所提出的具有代表性的鉴定技术方法。

在短路熔痕方面，国内学者的研究范围较广，山东省科学院徐娜等通过分析导线在火灾中形成熔痕的过程，归纳了火烧熔痕、短路熔痕和过负荷熔痕的宏、微观特征，据此可分析电气火灾事故的成因，并提出了用金相分析并结合现场勘验的方法来正确鉴定火灾原因[3]；广西南宁市消防支队覃萍用KYKY-2800B型扫描电子显微镜，着重研究了铝导线熔痕在微观显微下的形貌特征，并研究了铝导线在一次短路、二次短路和火烧情况下的熔痕特点和不同，清晰记录了不同试验条件下铝导线熔珠的微观形貌，以此作为鉴别发生短路原因的依据[4]；中山大学善莫军等对真实火场中的二次短路熔珠进行了具体研究分析，观察了二次短路熔珠的外观形貌和金相组织，讨论了二次短路形成的原因和环境因素的影响，给出电气火灾二次短路熔痕物证鉴定中应注意的问题和要点[5]；中山大学工学院叶海伦等利用Image-Pro Plus软件提取了熔痕孔洞的多个参数，分析不同燃烧物、时间、温度和孔洞特征参数之间的相关性[6]。国外学者对短路熔痕的研究方法主要有宏观分析法、熔痕孔洞分析法、碳化物残留分析法、表面分析法等[7-8]。从现有的文献资料看，我国科研人员对短路熔痕鉴定方法的研究较多，而对短路熔痕形成过程分析的研究则较少。

高速摄像技术最早在20世纪70年代出现并发展，是一种特殊的瞬发高速过程的记录测试手段，可以十分准确地记录大量时空信息，为高速运动的研究和瞬间的现象研究提供了技术支撑，具有拍摄信息量大、速度快、精度高的特点[9]。从目前国际研究状态来看，高速摄像技术主要被应用于原子能研究、物理和化学光电工程研究、燃烧和流体研究、天体物理学研究、爆破工程、飞行及武器研究和材料学研究等领域。在材料科学研究方面，该技术还未被完全利用，只是处于初级阶段的材料高速变化行为研究中，研究内容主要有电接触基本行为和过程、电弧焊接过程、粉末冶金中的雾化制粉过程等[10]。

采用高速摄像技术和图像处理技术抓拍铝导线瞬时短路现象，清晰还原短路熔痕的形成过程，观察在不同试验条件下短路点的熔化形态、熔珠的形成过程和喷溅方式，分析不同试验条件对熔珠形成过程及最终形态的影响。对深入了解短路熔珠的形成原因，促进短路熔珠的学术研究和火灾调查理论的发展具有一定意义。

1 试验设计

1.1 试验材料及仪器

试验材料为：1.5 mm2和2.5 mm2线径的BLV铝导线。试验仪器有：VRI-Phantom高速摄像机；笔记本电脑；电气火灾故障模拟及痕迹制备装置；微距镜头；酒精灯。

1.2 试验步骤

本试验共设计3种可控试验条件，第一个条件是短路方式，分为一次短路和二次短路；第二个条件是铝导线的线径，分为1.5 mm2和2.5 mm2；第三个条件是短路电流值，分为50 A、90 A、120 A、160 A。共进行16组试验，在不同试验条件下对铝导线进行短路，用高速摄像机拍摄，再进行图像处理和数据记录，最后经过分析比较得出结论。

具体操作流程为：(1)把微距镜头和高速摄像机连接，并把高速摄像机固定在三脚架上，确保稳定后通电开机。(2)用数据线把高速摄像机和电脑连接，在电脑中打开Pcc软件，在软件Camera一栏选择此台设备。(3)调整拍摄分辨率为2048×1152，把拍摄速率调至最低，曝光时间调至最高。(4)调整高速摄像机的位置，对准短路位置，调焦。(5)调整合适的拍摄速率和曝光时间。进行一次短路试验时拍摄速率调至500，曝光时间调至300。进行二次短路试验时拍摄速率调至500，曝光时间调至100。(6)按下Capture键，此时Capture按钮变为Abort Recording，同时Trigger按钮变为绿色，此时高速摄像机处于扫描工作状态。(7)在电气火灾故障模拟及痕迹制备装置上进行一次短路或二次短路操作。(8)短路现象发生时，点击Trigger按钮即可拍摄，拍摄完成后两个按钮回到初始状态。(9)点击Play播放拍摄的视频，可查看帧数、拍摄时间、拍摄速率和曝光时间等参数。(10)观察试验现象，收集试验数据，进行综合分析讨论。

2 试验结果

2.1 两组典型铝导线的短路现象

对线径为1.5 mm2的铝导线在50 A电流值下进行一次短路，用高速摄像机抓拍，如图1所示。可以发现：在两股导线触碰的同时，导线发生短路现象，在短路点喷出大量熔珠，熔珠向四周飞溅，量多且密集，随后熔珠逐渐消失。在两股导线要分离的

图1 1.5 mm2铝导线在50 A电流值下一次短路

时候，短路点突然出现明显的电弧，由于电弧能量较高产生强光，使高速摄像机曝光量过大所以出现一团模糊的光亮。两根导线分开一定的距离后，电弧突然消失，高速摄像机曝光量又恢复到正常状态，两根导线之间出现一团类似于火焰的流体，最后逐渐消失，导线两端并未形成明显的熔珠。

对线径为1.5 mm2的铝导线在120 A电流值下进行二次短路，用高速摄像机抓拍，如图2所示。可以发现：在未发生二次短路之前，火势在持续稳定燃烧。短路发生时，短路点先喷溅出许多熔珠，然后对燃烧现象产生影响，在短路点出现一个小火球迅速向四周扩散，小火球扩散的同时发生很短的电弧作用。电弧消失后火球继续扩散，使火焰明显增大，出现类似于小爆炸的现象，同时大量熔珠在四周扩散开来。最后熔珠喷溅完毕，火焰恢复稳定，但是短路后的火焰强度明显高于短路前的强度。

图2 1.5 mm2铝导线在120 A电流值下二次短路

经过对16组试验现象的观察，发现2.5 mm2线径铝导线比1.5 mm2线径铝导线的短路现象更明显；电流对短路现象的影响较大，电流越大，短路产生的熔珠数量越多，熔珠的喷溅范围越广，电弧的强度越大，短路现象越明显；在导线接触之前产生小而且不稳定的电弧，导线接触后分离时产生大电弧。通过对试验现象的观察，整个短路过程可以分为5个阶段，分别是高温熔融阶段、熔珠喷溅阶段、电弧产生阶段、氧化燃烧阶段和凝固结晶阶段。高温熔融阶段是短路的开始，可以观察到在导线接触点产生不稳定的小电弧，此时导线已经通电发热；随后看到在短路点产生许多明亮的熔珠，随着时间的推移向四周散开，此阶段是熔珠喷溅阶段；第三阶段是电弧产生阶段，在两根导线断开的时候，短路点出现强光，使高速摄像机过曝；第四阶段是氧化燃烧阶段，电弧消失后，在导线之间产生一团类似于火焰的流体，在极短时间内消失不见；最后一个阶段是凝固结晶阶段，可以看到导线两端形成炽热的熔珠，然后不断凝固降温，最终形成铸状形态组织。

2.2 不同试验条件下的短路时间

利用高速摄像机记录不同试验条件下铝导线的短路时间，见表1。由表可知：两种线径的铝导线不管是一次短路还是二次短路，短路时间都受短路电流值的影响，短路时间随短路电流值的增大有变短的趋势。还可以清楚地发现，在相同线径、相同电流值条件下，一次短路的短路时间大于二次短路的短路时间。

表1 短路时间统计(ms)

从试验数据来看，在发生短路时，通过导线的电流值突然增大，导线两端的电位差急剧下降；短路电流较小时，短路过程中电压和电流值都保持相对稳定的状态，但是短路电流较大时，短路过程中电压和电流值都不稳定，电流值随着短路时间的延长降低，电压值随着短路时间的延长升高；对于相同直径的铝导线，基本上短路电流越大，短路时间越短。

2.3 不同短路电流值下熔珠的形态

从图3可以看出，1.5 mm2线径铝导线在短路电流为50 A条件下，在导线短路点处只能形成短路熔痕，没有形成短路熔珠；在短路电流为90 A条件下，短路点处形成较小的短路熔珠，从外表面观察发现熔珠部分表面有金属光泽，存在少量孔洞；在短路电流为120 A条件下，短路点形成明显的熔珠，熔珠表面凹凸不平，有少量孔洞，表面无金属光泽；在短路电流为160 A的条件下，短路点形成较大的熔珠，熔珠表面凹凸不平，有少量孔洞，表面无金属光泽且呈青色。

图3 不同短路电流值下短路熔珠的形态

3 分析与讨论

3.1 铝导线短路过程的分析讨论

高温熔融阶段：在短路刚开始时，观察到在短路点出现不稳定的小电弧，这是因为两根导线还没有接触，或者由于导线表面凹凸不平导致接触不完全，在导线还有细小间隙的情况下，导线两端的电子外逸使空气发生电离产生电弧。产生电弧的同时短路已经开始，导线两端在电流的热效应和电弧的双重作用下温度急剧上升，达到铝的熔点使短路点液化熔融。

熔珠喷溅阶段：短路点的高温作用使导线液化熔融，电弧中间存在强大的电子流，熔融的导线在电子流的轰击作用下向四周扩散开来，形成耀眼的喷溅熔珠。因此，熔珠产生的数量和喷溅的范围都与短路电流的大小有关，电流越大，电子流的轰击作用越强，熔珠的数量越多，喷溅范围越广。

电弧产生阶段：在导线分离时，短路点产生强大的电弧，发出刺眼的白光。这是因为在导线接触时导线中通过稳定的大电流，当导线间出现细小的间隙时大电流就会电离空气形成一股强大的离子流，发出刺眼的白光，同时也具有极高的温度。

氧化燃烧阶段：电弧作用产生的温度高达几千甚至几万摄氏度，超过了铝的沸点，铝开始由熔融态变为气态，这时会在导线两端发生气相燃烧，能清楚地观察到燃烧的“火焰”，在火焰周围还有白色的氧化燃烧产物。

凝固结晶阶段：电弧消失后，短路就已经结束，这时导线短路点处的熔融液态铝会在极大的过冷度下凝固结晶，形成铸态的短路熔珠。由于一次与二次短路熔珠的降温速率不同，其微观晶粒的生长方式和速率也不同，因此可以通过观察熔珠的金相组织来判断其短路方式。

3.2 铝导线短路电流与短路时间关系的分析讨论

由试验结果发现，对于相同直径的铝导线，无论是一次短路还是二次短路，短路电流越大，短路时间越短。(1)从铝的自身性质来看，铝的熔点为660 ℃，沸点为2 327 ℃，密度为2.7 g·cm-3，是银白色金属，密度小，导电性能好。与铜相比，虽然铝的导电性不如铜，但是铜的密度大于铝的密度，如果输送相同电量，所需铝导线的质量仅为铜导线的一半。铝还具有良好的延展性、导热性、高反射性和耐氧化性，在生活中铝被广泛使用，通常被制成带状、丝状、片状、棒状、箔状和粉状。(2)从短路的本质来看，短路是指电路或电路的一部分被短接，由于导线电阻很小，所以使通过导线的电流值很大，导线的温度升高。短路是在瞬间完成的，短路熔珠(熔痕)是在极短时间内形成的，导线在距离短路点1 cm的部分会产生比较高的温度，此部分的导线温度会比其他部位温度高出很多，因此在短路点会形成一个过渡区，过渡区两边分别是熔化区和非熔化区。短路时短路点的瞬间温度能达到2 000～3 000 ℃，在短路点形成一个小熔池，然后凝固成铸态组织，在这个过程中由于短路点的高能量作用，会使许多熔融的铝喷溅出来形成短路熔珠。短路时间与短路点铝导线的熔化速度有关，铝导线熔化速度越快，两根导线接触时间越短，即短路时间越短；铝导线熔化速度越慢，两根导线接触时间越长，即短路时间越长。

3.3 铝导线短路过程中燃烧效应的分析讨论

在一次短路高速影像中可以发现，在短路结束后，导线的短路末端会出现类似于火焰的流体现象，流体发光发热且周围有烟雾产生，如图4所示。

铝在空气中不能燃烧，但在纯氧中可燃，燃烧现象剧烈，发出耀眼白光，生成白色固体Al2O3。Law建立了Al颗粒扩散蒸气相燃烧模型，是第一个具有完整意义的燃烧模型，其物理意义如图5所示，在火焰区内铝蒸气和氧化剂发生氧化反应，以火焰和空气的相界面为界限，燃烧产物向铝颗粒和外界扩散[11]。南京理工大学的田入园等人对铝颗粒进行了燃烧试验及理论研究，研究表明铝的燃烧是一个十分复杂的过程，可以类比于液滴的蒸发燃烧，其燃烧的状态受燃料控制和氧化剂扩散控制，但铝的燃烧又与液滴蒸发燃烧有所区别[12]。

图4 短路过程中的燃烧效应

图5 铝的燃烧模型

短路过程中铝导线的燃烧效应可以用铝的气相燃烧理论来解释。在短路刚开始时，短路点温度升高，瞬间达到铝的熔点并发生熔珠喷溅现象。在短路结束时，导线两端产生电弧，两极间气体或金属蒸气可持续通过较强的电流，并发出强烈光辉，产生几千甚至上万摄氏度的高温。铝的沸点是2 327 ℃，在电弧作用下铝迅速汽化，并在高温作用下发生气相燃烧，所以在高速影像中可观察到一团黄色火焰，在火焰周围的白色烟雾就是氧化燃烧产物Al2O3。

4 结论与展望

铝导线短路是一个复杂的过程，短路时铝导线在接触前产生较小电弧，导线分离时产生较大电弧。一次与二次短路现象有所不同，这是因为二次短路过程中有火焰的影响，二次短路与一次短路相比较，二次短路中熔珠数量少，而且熔珠喷溅具有方向性，这与导线的接触方式和绝缘层的烧损程度有关。经过对试验现象的分析讨论，主要得到以下结论：(1)铝导线在发生短路时主要历经5个阶段，分别是高温熔融阶段、熔珠喷溅阶段、电弧产生阶段、氧化燃烧阶段和凝固结晶阶段。(2)短路是一个复杂的过程，整个短路过程经历的时间与电流值有关。短路电流越大，短路时间越短；短路电流越小，短路时间越长。(3)二次短路会对初始燃烧状态造成影响，使局部火焰增大甚至出现爆燃现象。(4)铝导线在短路过程中不仅存在物理效应，而且存在化学燃烧效应。

本文试验研究把高速摄像技术和短路研究联系起来，在初步的试验探索中发现了一些新的现象和内容，对短路这个瞬时过程有了清晰的了解，也对这些现象发生的原因进行了理论论证。在以后的短路研究中，可以使用其他研究参数更加全面详细地对短路这一过程进行分析，比如短路点的瞬时温度、熔珠的喷溅范围、电弧持续时间等，还可以通过改变试验条件来研究这些参数的变化情况，寻找规律，总结经验。