单股铜导线过电流故障痕迹形成规律研究

周广英，李 阳

(1.武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000； 2.大庆市公安消防支队，黑龙江 大庆 163000)

0 引言

过电流故障是由于流经导线的电流，超过了导线所能承受的额定电流值，导致导线线芯温度升高。过电流故障导线，随着电流值的升高，呈现出不同的痕迹特征[1-3]。小电流值过电流故障发生时，由于发热速率较慢，导线温度升高幅度不大，但会加速绝缘老化，引发后续的短路故障；随着电流值的升高，发热速率逐渐加快，导线线芯温度持续升高，形成炽热线芯，可引燃周围绝大多数的可燃物[4-6]。火灾事故调查中，对于导线过电流故障的认定，多是通过绝缘层的内焦、松弛、脱离本体痕迹进行认定的[2]，但是由于绝缘层易受火灾破坏而灭失，因此需要进一步了解各种过电流故障条件下，痕迹形成规律，为更加准确地发现和提取过电流故障痕迹，认定过电流故障引发火灾提供依据。本文研究过电流故障导线痕迹形成规律，分析各种痕迹的金相组织特征，研究过电流故障痕迹的检验鉴定方法。

1 试验部分

试验材料为2.5 mm2聚氯乙烯单股铜导线；仪器设备有火灾痕迹物证综合实验台(自制)、XTL-340型体视显微镜、Canon Eos70D数码单反相机(30帧每秒)、三脚架、Axio Observer.A1m型金相显微镜。试验方法为：2.5 mm2单股铜导线的安全载流值Ie=20 A，截取12 cm长的导线，数码单反照相机分别录像记录1.5,2,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7Ie导线过电流故障发生过程，逐帧分析发热过程，每个电流值进行5组平行试验。

2 试验结果

2.1 过电流值低于4.5Ie时痕迹形成过程

铜导线发生4.5Ie过电流故障时，65 s导线线芯发热，破坏绝缘内层，5 min时线芯颜色以暗红色为主，绝缘层出现内焦、松弛、脱离本体痕迹，随着过电流时间的延长，绝缘破坏加剧，发烟量逐渐增大，绝缘层炭化越来越严重，但导线始终不会熔断，如图1和图2所示。

2.2 过电流值高于5Ie时痕迹形成过程

过电流值升至5Ie时，导线发烟量和炭化速度进一步加快，线芯由4.5Ie时的暗红色变为亮黄色，过电流持续时间达到2 min以上，在导线中部出现断路电弧，出现明显的火花喷溅，形成喷溅熔痕，如图3所示。随着过电流值继续升高，发生断路电弧的时间逐渐缩短，电弧越来越激烈，喷溅出的熔痕越来越多，当过电流值达到6Ie时，除了会产生喷溅熔痕以外，还会出现导线软化后滴落熔痕，如图4～6所示。

图1 过电流4.5Ie(65 s)

图2 过电流4.5Ie(5 min)

图3 过电流5Ie(126 s)

图4 过电流5.5Ie(70 s)

图5 过电流6.5Ie(37 s)

2.3 过电流故障线芯熔化痕迹

分析不同电流值条件下，过电流导线发热过程，可清楚的看到线芯熔化痕迹有三种：

图6 过电流7Ie(29 s)

2.3.1 类似于火烧熔痕的端部熔断痕

过电流导线一旦熔断，在熔断点处有与火烧熔痕类似的熔断痕：熔痕与本体界限有明显的过渡区，虽然有断路电弧的参与，但是不会出现短路熔痕那么清晰的分界线；熔痕表面有明显的绝缘层炭化残留，呈暗红色，表面有凹坑，随着电流值的增大，炭化残留减少，如图7所示。经金相分析发现：端部的熔断痕呈现非常有特点的组织特征，晶粒以粗大的胞状晶和树枝晶组织为主，晶界粗大，树枝晶呈现出一定的方向性，内无明显孔洞，有少量缩孔存在，熔痕区与本体区有明显的分界线，如图8所示。

图7 5Ie导线端部熔痕表观形貌12×

图8 5Ie导线端部熔痕金相组织50×

2.3.2 导线中部出现玫瑰刺状的结疤痕

电流值4.5Ie以下，导线中部不会出现玫瑰刺状的结疤痕，电流值高于6.5Ie时，导线中部的结疤痕也会减少，只有在5～6Ie时，导线中部易出现结疤痕，结疤痕没有非常规则的形状，如图9所示。结疤痕的金相组织以致密的树枝晶为主，结晶区与本体界限明显，树枝晶方向性强，内部几乎没有孔洞，如图10所示。

图9 6Ie导线结疤痕表观形貌12×

图10 6Ie导线结疤痕金相组织50×

2.3.3 导线断点处出现滴落(喷溅)熔痕

过电流值4Ie以上，激烈的断路电弧产生喷溅熔珠，同时在重力作用下，熔化的液态铜也会缓慢的凝结滴落，形成滴落熔珠，如图11所示。对4～7Ie时的滴落(喷溅)熔珠的数量和形状进行统计分析，得到：随着过电流值的升高，滴落(喷溅)熔珠的数量越来越多；电流值较小时，熔珠以圆状的喷溅熔珠为主，随着电流值升高，不规则状滴落熔珠显著增多。过电流故障导线滴落(喷溅)熔珠金相组织多以树枝晶为主，几乎没有气孔，偶尔会出现缩孔，如图12所示。相对于端部熔断痕和中部玫瑰刺结疤痕来说，树枝晶的枝晶臂更发达，方向性较强。随着电流值的升高，树枝晶的密集程度逐渐降低，有向胞状晶过渡趋势。

图11 6.5Ie导线结疤痕表观形貌12×

图12 6.5Ie导线结疤痕金相组织50×

3 分析与讨论

3.1 导线端部熔断痕特征及形成规律

当过电流倍数小于5时，铜导线虽然处于过电流状态，但导线发热量不足以使铜导线发生熔断，仅能破坏绝缘皮内层，使绝缘皮内层出现内焦、松弛、滴落的现象并伴随发烟，线芯呈暗红色；导线自身温度升高，散热速率相对升高，导线温度上升到一定值时，导线的放热速率与散热速率处于平衡状态，导线温度处于稳定。随着电流倍数的增加，当过电流倍数于5～7，导线的放热速率始终大于导线的散热速率，导线温度持续上升，直至导线线芯温度超过线芯的熔点，导线发生熔断。随电流倍数的增大，熔断出现的时间越来越短；熔断是导线点断开，且电流流经导线，具备线间放电产生电弧的条件，熔断瞬间，可以清楚的看到断路电弧。与短路故障发生的电弧相比，过电流故障熔断时，产生的是断路电弧，断开后瞬间切断电流流经路径，电弧能量相对较低，导线自身温度较高，且断路电弧出现意味着过电流故障的结束，持续放热过程停止。断路点处熔化的液体金属，既受到电弧产生的高温影响，也受过电流导线发热影响。分析金相组织特征，过电流导线熔断痕以树枝晶为主，晶粒有明显的方向性，熔化区与非熔化区有明显的分界线，这说明过电流导线熔断时，产生的断路电弧对于组织的形成起到了决定性影响。根据金属铸造学原理，液体金属凝固速度越快，越易形成致密树枝晶，金属凝固时的过热度和过冷度共同影响着凝固速度。过电流熔断时，相对于短路电弧，能量相对较低，电弧传递给液体金属的能量少，液体金属温度较低，过热度低，易形成致密的树枝晶。

3.2 线间玫瑰刺状结疤痕特征及形成规律

铜导线发生过电流故障时，有可能产生玫瑰刺状结疤痕，但是需要过电流值在适当范围。主要原因是：铜导线发生过电流故障时，流经的电流大于其额定电流，电流值增大，导线升温速度加快，达到铜导线熔断的时间就会缩短。当电流值小于4Ie时，发热速率小，热量无法迅速聚集，整个导线无法达到线芯金属熔点，不会形成液体金属，不具备形成结疤痕的条件；当电流值大于6Ie时，导线发热速率过快，迅速达到线芯金属熔点，导致铜导线快速断路，此过程中产生的表面液态铜没有充足的时间聚集凝结，导线发热已经停止，液态铜会迅速凝固，无法产生玫瑰刺结疤痕。因此，过电流值在4.5～6Ie时，故障导线具备产生玫瑰刺状结疤痕。5.5Ie时，导线既可以产生具有流动性较强的液体金属，也具备充足的聚集凝结时间，因此产生结疤痕的数量较多。从金相组织分析，玫瑰刺状结疤痕，以致密的树枝晶为主，无明显气孔，主要是由于结疤痕形成时，液体的金属缓慢聚集而成，气体有充足的时间溢出，断路发生后，因迅速失去加热条件，接近熔点的高温金属，又会迅速冷却，产生致密的树枝晶。

3.3 致密金相组织特征形成原因分析

根据金属学及铸造学原理，液体金属凝固速度越快，越易形成致密树枝晶，金属凝固时的过热度和过冷度共同影响着凝固速度。过电流熔断时，相对于短路电弧，能量相对较低，电弧传递给液体金属的能量少，相同质量的液体金属温度较低，过热度低，易形成致密的树枝晶。金相组织中，气体首先要进入到液体金属内，分散的气体要在液体金属中流动汇集成大气孔，金属凝固后，大气孔就会存留在熔痕内部。由于过电流熔痕，液体金属温度低，流动性相对较差，卷吸气体的能力较弱，进入到熔痕的气体量较少；卷吸进入到液体金属中的气体，由于凝固速度快，没有充足的汇集时间，不具备形成大气孔的条件，偶尔会出现缩孔。

4 结论

通过试验研究，可得如下结论：(1)过电流铜导线熔断时，产生断路电弧，形成喷溅熔珠和端部熔断痕，部分过电流导线端部熔断痕外观上与火烧熔痕较为相似；(2)过电流值小于4Ie和大于7Ie时，均不利于玫瑰刺状结疤痕的形成，5.5Ie时，结疤痕产生数量最多；(3)过电流导线端部熔断痕、玫瑰刺状结疤痕的金相组织均以树枝状晶粒为主，内部很少存在孔洞，枝晶臂有明显的方向性。

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