过电流铜导线断点熔痕特征

吕雪丽，王 博

1.乌鲁木齐市消防救援支队,新疆 乌鲁木齐 830000; 2.博乐市消防救援支队，新疆 博乐 833400

0 引言

导线过电流故障是一种常见的电气故障类型，具有很强的引燃能力[1]。过负荷、过电压、雷击等均会诱发过电流故障[2]，过电流故障在火场中十分常见。导线绝缘层的内焦、松弛、脱离线芯本体是过电流故障的典型痕迹[3-4]，但导线绝缘层PVC为可燃材料，在火场中易灭失，因此为准确认定过电流故障，需要在导线线芯本体上找到能够在火场中稳定保存的痕迹物证。针对导线过电流故障的痕迹特征，国内外学者开展了大量研究。Choi等[5]借助高速摄像机研究了无绝缘单芯铜导线发生过电流故障时熔断处的电弧熔痕特征，认为过电流导线喷溅熔珠金相组织中树枝晶的含量与导线电流增长速率及增长间隔有关联；张金专[6]研究了不同过电流值和故障发生时铜导线金相组织的变化情况，发现粗大的等轴晶是未熔断过负荷导线的主要晶粒类型；Wright等[7]分别研究了过电流故障和短路故障的宏观特征，认为通过宏观方式很难区分两者；周广英等[8]对单股铜导线过电流故障熔痕的金相组织进行了研究，发现导线过电流故障熔痕的金相组织以树枝晶为主，且晶粒具有明显的方向性；刘玲等[9]研究了火场条件下多股铜导线过电流故障的痕迹特征，发现随着导线过电流故障程度的加重，导线线芯表面会依次呈现出剥离脱落、块状开裂、珊瑚状小颗粒等现象；王朴真等[10]研究了过电流倍数对多股铜导线故障的影响，发现多股铜导线过电流故障熔痕主要分为两类，并且其金相组织差异很大。综上所述，尽管目前国内外学者对导线过电流故障痕迹开展了广泛研究，但并未给出导线过电流故障的认定依据。本文模拟不同倍率额定电流时的导线过电流故障，利用数码摄像机记录导线过电流故障过程，借助高速影像对比分析其瞬间变化，借鉴NFPA 921中的时间轴分析方法[3]搭建过电流导线发热燃烧过程的时间轴，明确各阶段的时间关系，通过体视显微镜对断点熔痕的宏观特征进行固定、统计、分析，利用金相法对其金相组织进行分类研究，为火灾现场中过电流故障的准确识别提供依据。

1 试验方法

1.1 试验材料

铜导线：津猫线缆股份有限公司生产的2.5 mm2ZR-BV单芯铜导线，额定电流Ie=34 A，绝缘层PVC厚度0.8 mm、截面积6.46 mm2，线芯直径1.78 mm[11]。腐蚀剂：盐酸氯化铁水溶液(5 g氯化铁、100 mL水、10 mL盐酸)。其他材料：Ⅱ型造牙树脂，Ⅱ型义齿基托树脂液，金相抛光剂，无水乙醇，蒸馏水，120#、2000#金相砂纸。

1.2 仪器设备

中国人民警察大学自主研发设计的电气火灾故障模拟及痕迹制备装置：可采集通过导线的电流、电压，采集频率为1.5×104Hz；可控电压为0～660 V，调节精度为0.15 V；可控电流为0～300 A，调节精度0.1 A。其作为过电流故障的发生装置。Phantom VEO 640高速摄像机：分辨率为1920×1020，曝光时间为2 000 μs，采样率为10 pps，用于采集导线过电流故障过程中的高速影像。XTL-340型体视显微镜：用于观察、记录过电流导线断点熔痕的宏观特征。YMP-1型金相试样抛磨机：用于打磨、抛光熔痕的金相试样。Carl Zeiss Observer A1m型金相显微镜：用于观察熔痕的金相组织。

1.3 样品制备

如图1所示，将ZR-BV单芯铜导线截成650 mm的小段若干，剥去导线两端约30 mm绝缘层，将导线悬空水平布置在固线装置上。保持导线两端电压220 V不变，使导线分别通过4Ie、4.5Ie、5Ie、5.5Ie、6Ie电流(导线过电流熔断时的最低电流为4Ie[12])，每一种试验电流条件下进行5组平行试验。平行架设数码摄像机和高速摄像机，分别记录导线过电流故障的宏观发热过程及瞬间高速影像变化。

图1 试验装置示意图

2 试验结果

2.1 导线过电流故障过程

当导线通过电流I≥4Ie时，随着通电时间的延长，过电流导线依次出现导线沉降、绝缘鼓泡热解、线芯熔断拉弧、火焰蔓延燃烧等一系列变化过程。故障发生后，过电流导线会产生多个断点，但这些断点并非同时产生，其中最先产生的断点为电弧和火焰耦合作用产生的电弧断点，其余断点为仅有火焰作用产生的非电弧断点。6Ie过电流导线发热燃烧过程时间轴如图2所示。

图2 6Ie过电流导线发热燃烧过程时间轴

导线发生过电流故障后，其线芯本体上会产生三种典型熔痕，即电弧作用产生的断点熔痕、火焰和应力作用产生的非电弧断点熔痕及突出于线芯本体的尖状、小结疤状熔痕。6Ie过电流导线线芯本体熔痕的宏观形貌如图3所示。

2.2 过电流铜导线电弧断点分布特征

导线在过电流故障过程中会发生沉降，将不同过电流导线拉弧瞬间的高速影像进行堆栈合成，发现对于通过不同倍数额定电流的导线，其熔断时沉降的距离基本一致。不同电流值时，过电流导线电弧产生瞬间的现象如图4所示，堆栈合成图如图5所示。

运用PS标尺比例换算，以实验台两铜柱间距55.7 cm为基准，对不同过电流导线电弧发生位置与线端之间的距离进行测量发现，导线通过电流值越高，其电弧断点越接近导线端部。通过Origin拟合发现，导线通过电流值与电弧断点距线端的距离呈二次函数关系，拟合曲线的方程为y=0.00117x2-0.6073x+84.586，且拟合曲线的回归参数R2=0.97326，拟合曲线如图6所示。

图3 6Ie过电流导线不同熔痕的宏观形貌

2.3 过电流铜导线断点熔痕的金相组织

通过对不同过电流值导线电弧断点熔痕的金相组织进行统计、分析，发现过电流故障电弧断点熔痕金相组织的晶粒主要呈现出两种形态：(1)熔痕内部晶粒均为树枝晶；(2)熔痕边缘晶粒存在少量树枝晶，内部为等轴晶。过电流导线电弧断点熔痕金相组织如图7所示。

非电弧断点熔痕金相组织的晶粒主要呈现出两种形态：(1)熔痕内部晶粒均为等轴晶；(2)熔痕边缘存在少量树枝晶，内部为等轴晶。过电流导线非电弧断点熔痕金相组织如图8所示。

3 分析与讨论

3.1 过电流导线发热熔断变化过程原因分析

当导线发生过电流故障时，线芯由于电流的热效应产生热量，这些热量会通过热传导向绝缘层传

图4 过电流导线断路电弧产生时的现象

图5 不同过电流导线堆栈合成图

播，再通过对流换热向外界传播[13]。为简化模型，假设：(1)导线绝缘层与线芯的热物性参数在过电流故障全过程中保持不变；(2)只考虑导线径向的温度梯度，且将其发热过程近似看作是一维热传导问题；(3)导线线芯各处无温度梯度；(4)忽略导线线芯与绝缘层之间的空气间隔，且导线线芯和绝缘层之间的热阻可以忽略不计。导线径向温度分布如图9所示，图中r为导线任意一处半径，r0为导线绝缘层半径，rc为导线线芯半径，qf为导线线芯产生的热量，qs为导线向外释放的热量。

导线通电后，线芯温度持续升高，同时由于热传导作用，导线绝缘层温度也不断升高，在此过程中导线线芯的导热微分方程为：

I2Rdt=(∑mc)dT+2πr0h(T-Ta)dt

(1)

式中，I为线芯内通过的电流值；R为单位长度线芯的电阻；t为导线通电时间；m为单位长度质量；c为比热容；T为温度；h为对流换热系数。当t=0时，即导线开始通电时，T为室温Ta，则：

(2)

图6 过电流导线电弧断点位置拟合曲线

图7 电弧断点熔痕金相组织

当通电时间趋于无穷大时，导线线芯的产热和散热达到平衡，导线的温度趋于稳定，其平衡温度为：

(3)

当电流为4Ie时，得到的平衡温度Tb远远大于铜的熔点(Tm)1 083 ℃，说明计算所得Tb为伪平衡，即导线在未达到平衡时已经熔断，熔断后由于导线温度不再升高，故导线不会达到计算温度，同时这也解释了导线发生熔断产生断路电弧的原因。

导线过电流故障过程中，其绝缘层的变化过程大致可分为四个阶段：(1)导线PVC绝缘层在线芯热传导作用下受热分解，释放出可燃的热解气体[14]。(2)热解气体在热泳力作用下扩散。由于可燃热解产物的温度远大于周围空气的温度，所以周围空气在对流换热作用下温度升高，热空气与周围空气出现温度梯度。被可燃热解气体加热的气体分子以更高的动能与热解气体粒子碰撞，使热解气体粒子向周围低温空气移动。由此，可燃热解产物不断向外扩散，与周围空气混合，形成可燃预混气体[15]。导线绝缘层燃烧过程中第一、二阶段示意图如图10所示。(3)过电流故障导线熔断，产生的断路电弧将可燃预混气体引燃，出现火焰，发生预混燃烧。(4)火焰沿导线水平方向传播，同时火焰的直接作用也使绝缘层的热解反应加剧，释放更多可燃气体，维持燃烧状态，火焰向导线远端传播。

图8 非电弧断点熔痕金相组织

图9 过电流导线发热模型及径向温度分布示意图

图10 绝缘热解产物扩散示意图

3.2 非电弧断点熔痕金相组织成因分析

非电弧断点熔痕形成时，线芯整体温度并未达到铜的熔点Tm，而金属的再结晶温度TR较低[16]，由经验公式TR≈(0.35～0.45)Tm计算得到铜发生再结晶的温度约为380～490 ℃[17]。本试验过电流线芯整体温度超过此温度，所以非电弧断点痕迹大部分区域以再结晶的等轴状组织为主。另外，由于电流的集肤效应，线芯通过的电流多分布于表面区域，导致线芯表面温度明显高于内部温度，并且绝缘层燃烧的火焰同样仅作用于线芯表面，所以线芯表面会出现少量以树枝状晶粒为主的熔化区域。

4 结论

通过本文试验研究，可得出如下结论：(1)当I≥4Ie时，过电流导线会出现绝缘鼓泡热解、线芯熔断拉弧、火焰蔓延燃烧等现象，此时起火点处会呈现明火燃烧。(2)导线发生过电流故障熔断时，其电弧断点距线端的距离与电流值呈二次函数关系，导线过电流倍数越高，其电弧断点距离线端越近，此结论可为过电流故障典型熔痕的采集、提取提供依据。(3)熔痕内部晶粒均为树枝晶是电弧断点熔痕的典型组织，熔痕内部晶粒均为等轴晶是非电弧断点熔痕的典型组织，此结论可为认定导线过电流故障提供依据。