ZR-BV单芯铜线过电流故障电弧熔痕特征研究*

王 博，李 阳，司永轩，徐学岩，荣彦超

(1.中国人民警察大学 研究生部三队，河北 廊坊 065000；2.中国人民警察大学 火灾物证鉴定中心，河北 廊坊 065000；3.开封市消防救援支队，河南 开封 475000；4.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

过电流故障是引发火灾的常见故障类型，具有很强的引燃能力[1]，短路、过负荷、中性线浮动等原发性故障多以过电流的形式表现出来，因此过电流故障在火场中十分常见。针对过电流故障，国内外学者开展了大量研究：Choi等[2]用高速摄像机研究了无绝缘单芯铜导线过电流熔断点处电弧熔痕的特征，发现过电流故障导线熔断时会产生断路电弧；Babrauskas[3]对过电流故障导线的引燃能力进行了研究，并将其编入美国消防工程手册(SFPE)的相关章节；张金专等[4]研究了过电流时间和倍数对铜导线本体金相组织的影响；Fujita[5-6]研究了微重力条件下，导线过电流故障绝缘层的燃烧特征，主要针对于航空航天器；Wright等[7]对单芯铜导线与多股铜导线在过电流故障作用下形成痕迹的宏观特征进行了研究，认为2种导线存在显著差异；何豪等[8-9]对过电流聚氯乙烯导线绝缘层燃烧时火焰蔓延和绝缘的滴落行为进行了研究；Orcajo等[10]对过电流故障机理进行研究，表明在国外110 V供电系统条件下，过电流故障通常作为原发性故障导致火灾发生。综上所述，目前对过电流导线的研究主要集中在过电流故障的引发原因、引燃能力、绝缘层的燃烧特征，但对过电流故障导线熔断痕迹宏观特征及金相组织的系统研究较少。

本文将不同电流值加载于2.5 mm2的ZR-BV单芯铜线，对导线过电流故障时的视频影像进行截帧处理，分析其高速影像，利用体视显微镜对形成痕迹的宏观特征进行观察，并利用金相法对其金相组织进行分析，为准确识别火场中的过电流故障提供参考。

1 试验方法

1.1 试验耗材

1)铜导线：2.5 mm2ZR-BV单芯铜线(正泰电线电缆)，额定电流Ie=34 A，导线规格见表1。

表1 导线规格参数Table 1 Specification parameters of wire

2)浸蚀剂：氯化铁盐酸水溶液(5 g氯化铁、50 mL盐酸、100 mL水)。

3)其他材料：自凝牙托粉；自凝牙托水；无水乙醇；120#,2 000#,3 000#砂纸。

1.2 仪器设备

1)电气火灾故障模拟及痕迹制备装置：该装置为中国人民警察大学自主研发装置，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，采集精度0.15 V；可控电流为0～300 A，采集精度0.1 A，用于过电流的发生装置。

2)Phantom VEO640高速摄像机：分辨率为1 920×1 020，采样率为10 pps，曝光时间为2 000 μs，用于记录过电流故障导线变化过程中的瞬间现象。

3)Carl Zeiss Observer A1m型金相显微镜：用于观察过电流电弧熔断痕横截面的典型金相组织。

1.3 样品制备

实验场景示意如图1所示。将2.5 mm2ZR-BV单芯铜线截成500 mm，剥去两端约30 mm绝缘层，将导线连接至电气火灾故障模拟及痕迹制备装置，分别通过2.5Ie,3Ie,3.5Ie,4Ie,4.5Ie,5Ie,5.5Ie,6Ie的电流，每种电流条件下进行5次平行试验，分别用1～5号表示。用高速影像捕捉过电流导线故障过程中的断路电弧发生点，精确定位电弧熔断痕的位置。

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 试验结果

2.1 过电流导线电弧熔痕形成过程

当导线通过电流I≤3.5Ie时，导线不会熔断。通电后发生的变化依次为：导线发热变红、绝缘层热解、发烟，导线通过3.5Ie时的变化过程如图2所示。

图2 3.5Ie过电流导线发热变化过程Fig.2 Exothermic changing process of 3.5Ie over current wire

由图2可知，随电流值升高，过电流导线出现发烟现象及达到稳定状态所需时间变短，当通过电流分别为2.5Ie，3Ie，3.5Ie时，导线从通过电流开始到出现发烟现象的平均时间分别为108.2,58.6,40.0 s，且在通电20 min内，过电流导线均未发生熔断现象，不同电流时导线热解发烟及稳定时间见表2～3。

当导线通过电流4Ie≤I≤6Ie时，导线会发生熔断，产生断路电弧，并且伴随着明显的喷溅现象。实验过程中导线依次出现发热变红、绝缘层热解发烟、导线熔断、产生断路电弧、断路电弧引燃周围可燃热分解气体[11]、火焰从导线电弧熔断点处向两侧蔓延等现象，导线通过6Ie电流时的发热变化及熔断过程如图3所示，导线熔断过程中的断路电弧如图4所示。

随着电流值的升高，过电流导线从开始通电到发烟和熔断的平均时间变短，当I=4Ie时，其平均发烟和熔断时间为27.0，65.6 s；当I=4.5Ie时为21.0，47.2 s；当I=5Ie时为15.6，35.2 s；当I=5.5Ie时为11.4，24.8 s；当I=6Ie时为10.2，21.6 s。通过不同电流时导线热解发烟及熔断时间见表4～5，其变化趋势如图5所示。

表2 2.5Ie～3.5Ie导线热解发烟时间Table 2 Pyrolysis and smoke generation time of 2.5Ie～3.5Ie wire s

表3 2.5Ie～3.5Ie导线稳定时间Table 3 Stability time of 2.5Ie～3.5Ie wire s

图3 6Ie导线发热变化及熔断过程Fig.3 Exothermic changing and fusing processes of 6Ie wire

图4 导线熔断过程中的断路电弧Fig.4 Open-circuit arc in fusing process of wire

通过对无绝缘层导线的高速影像分析可知，通过6Ie电流后，导线首先发热变亮，之后导线熔断，产生断路电弧，随后导线会在重力作用下出现二次折断。因此，过电流故障导线在熔断时会出现多个断点，但仅有1处断点是高温电弧参与形成的，6Ie无绝缘层导线发热及熔断过程如图6所示。

表4 4Ie～6Ie导线热解发烟时间Table 4 Pyrolysis and smoke generation time of 4Ie～6Ie wire s

导线在发生过电流故障熔断时，会形成电弧断点熔痕、非电弧断点熔痕、结疤熔痕和喷溅熔痕等多种形貌，如图7所示。通过分析有绝缘层导线的高速影像发现，非电弧熔痕以及结疤熔痕均由后续火焰燃烧形成，在此过程中并无电弧参与作用，有绝缘导线熔断及燃烧过程如图8所示。

表5 4Ie～6Ie导线熔断时间Table 5 Fusing time of 4Ie～6Ie wire s

图5 不同电流时导线热解发烟及熔断时间Fig.5 Pyrolysis and smoke generation time and fusing time of wire under different currents

图6 6Ie无绝缘层导线发热及熔断过程Fig.6 Exothermic and fusing processes of 6Ie wire without insulation layer

图7 4.5Ie过电流导线典型熔痕宏观形貌Fig.7 Macroscopic morphology of typical melting trace for 4.5Ie over current wire

图8 PVC导线熔断及燃烧过程Fig.8 Fusing and combustion processes of PVC wire

2.2 电弧断点熔痕的分类及其宏观特征

通过对发生熔断的5个不同电流值共25根导线进行熔痕形状的统计分析发现，过电流电弧断点熔痕共有5类典型的宏观形貌，如图9所示。电弧断点熔痕宏观形貌统计见表6。

图9 各类电弧熔断痕迹宏观形貌Fig.9 Macroscopic morphology of melting trace for various arc

由表6可知，当I=4Ie时，半珠状熔痕出现的概率最大为50%；当I=4.5Ie时，珠状熔痕出现的概率最大为50%；当I=5.5Ie时，尖状和不规则状熔痕出现的概率最大为30%；当I=5.5Ie时，无发散状熔痕出现；当I=6Ie时，珠状熔痕出现的概率最大为50%。

2.3 过电流断路电弧所致熔痕的金相组织特征

在对不同电流值时各类电弧断点熔痕的金相组织进行观察发现，发散状和尖状断点熔痕的金相组织中虽然均有枝晶偏析组织出现，但出现位置各异，不具有规律性，故此处重点对珠状、半珠状以及不规则状断点熔痕的金相组织进行分析。根据珠状、半珠状、不规则状电弧断点熔痕金相组织中晶粒大小、类型及所处位置的不同，可将其分为近电弧区(A区)、向内延伸区(B区)、中心区(C区)以及近本体区(D区)4个不同的区域。

2.3.1 断路电弧所致珠状断点熔痕金相组织特征

珠状断点熔痕如图10所示。由图10可知，4Ie过电流珠状断点熔痕A区晶粒以细小的卵形树枝晶为主；B区晶粒以卵形树枝状晶粒和柱状树枝状晶粒为主，晶粒较A区明显长大，且枝晶臂生长方向多样；C区呈更加明显的枝晶偏析组织；D区晶粒类型与C区相似，但晶粒生长方向不具有明显方向性，并且其与线芯本体存在明显界限。

表6 电弧断点熔痕宏观形貌统计Table 6 Statistics on macroscopic morphology of melting trace for arc breakpoint

图10 珠状断点熔痕金相组织Fig.10 Metallurgical structures of melting trace for bead breakpoint

相较于4Ie珠状断点熔痕的金相组织，6Ie熔痕内枝晶偏析组织分布范围明显扩大，几乎不再出现等轴状组织。

2.3.2 断路电弧所致半珠状断点熔痕金相组织特征

半珠状断点熔痕金相组织如图11所示。由图11可知，4Ie半球状断点熔痕中的A区分布少量细小的卵形树枝状晶粒，并且其与本体交汇处存在过渡区；B区晶粒多为明显的枝晶偏析组织；C区呈更加明显的枝晶偏析组织，晶粒较B区更加粗大；D区晶粒类型与B区相似，晶粒生长方向具有多样性，且D区与线芯本体间存在一定的过渡区域，过渡区域晶粒大小与本体组织较为相近。

6Ie半珠状熔痕金相组织的晶粒变化规律与4Ie时基本一致，但6Ie熔痕内存在气孔割裂组织生长的现象。此外6Ie半珠状熔痕边缘的缩松组织面积明显大于4Ie时，且6Ie熔痕内枝晶偏析组织分布范围明显扩大。

图11 半珠状断点熔痕金相组织Fig.11 Metallurgical structures of melting trace for semi-bead breakpoint

2.3.3 断路电弧所致不规则断点熔痕金相组织特征

不规则断点熔痕金相组织如图12所示。由图12可知，4Ie过电流珠状不规则断点熔痕A区的晶粒以枝晶偏析组织为主，晶粒间隙夹杂缩松[12]结构；B区晶粒与A区晶粒类似，枝晶干生长方向多样；C区呈更加明显的枝晶偏析组织，晶粒生长无方向性；D区晶粒类型与C区相似，并与C区间无明显分界线。

图12 不规则断点熔痕金相组织Fig.12 Metallurgical structures of melting trace for irregular breakpoint

相较于4Ie不规则断点熔痕的金相组织，6Ie的C区与D区中均分布大量不规则孔洞，孔洞割裂晶粒组织生长现象极为明显，并且其痕内枝晶偏析组织分布范围明显扩大。

3 分析与讨论

3.1 过电流故障导线断路电弧形成过程的理论分析

在导线通电的过程中，导线线芯作为唯一的热源，其产生的热量不仅会使自身的温度升高，还会使线芯外部的绝缘层以及周围空气的温度升高[13-14]。在导线未达到平衡温度时，单位长度上导线的导热微分方程可表示为：

(1)

(2)

式中：Ta为室温，℃；A，B为常数。当通电时间趋于无穷大时，可求出导线的平衡温度：

(3)

结合铜线芯的热物性参数，将I=4Ie代入式(3)进行计算，发现此时平衡温度远大于铜的熔点。即I=4Ie时，由于铜线芯放出的热量大于向绝缘层和空气散失的热量，其温度会不断升高，最终铜线芯温度会超过自身熔点发生熔断，使回路断开，产生断路电弧。

3.2 过电流电弧熔痕宏观特征形成原因分析

美国的火灾和爆炸事故调查指南(NFPA 921)中将过电流故障熔痕和火烧熔痕统称为Globules，即非电弧熔痕。本文通过实验发现，当过电流导线通过电流I≥4Ie发生熔断时，导线线芯的温度接近、甚至超过铜的熔点，故在其熔断时，线芯整体已经出现软化甚至液化现象，其与短路熔痕产生时所受到的单点、局部热作用差异很大。而火烧熔痕形成时，熔痕及熔痕周边的熔化区也会在火焰作用下出现软化甚至液化，其与过电流故障熔痕形成时大面积导体软化、液化的现象类似，所以过电流故障电弧熔痕与火烧熔痕十分类似。

但是过电流电弧断点熔痕在形成过程中还会产生断路电弧，断路电弧会急速加热周围的气体，形成冲击波，使熔化的液态金属向四处飞溅，因此电弧断点熔痕会出现与火烧熔痕不同的发散状断点熔痕。

3.3 过电流电弧熔痕枝晶偏析组织出现原因分析

枝晶偏析是指由于晶体优先沿过冷度较大的方向生长，而使固溶体晶粒内部出现化学成分不均匀的现象。

当线芯吸收断路电弧释放出的热量后，固态金属温度升高，铜原子振动能量增加，振动频率及振幅增大。当原子吸热后获得动能大于原子结合额键能时，原子便会越过之前的势垒，进入新的势阱中。原子重新进入新的平衡位置，改变晶格常数，晶体体积增大。当自身能量超过键能的原子数量足够时，晶界处的原子率先脱离晶粒表面进入相邻晶粒，晶粒不能继续保持原有形态，发生相对流动，固态金属发生熔化。

当金属发生熔化后，在空气对流冷却作用下，液态金属温度以较快的速度降低到金属的熔点Tm，形成固-液界面，界面向液相推移，发生凝固。由于固-液界面前方的液态金属温度低于界面温度Ti，液相中的温度梯度Gl<0。则固-液界面前局部液相温度为：

Ti(x)=Ti-|Gl|x

(4)

过冷度为：

ΔTl=Tm-Tl(x)=Tm-Tl+|Gl|x=ΔTi+|Gl|x

(5)

式中：Tm为金属熔点，K；Gl为液相中的温度梯度，K/m;x为与固-液界面之间的距离，m。

由式(4)可知，离固-液界面距离越远的液态金属过冷度越大，而树枝状晶粒沿负温度梯度生长[15]。因此，在此热过冷度较大的条件下，熔痕金相组织的晶粒主要以枝晶偏析组织为主。

4 结论

1)当I≥4Ie时，过电流导线会发生熔断，断路电弧将引燃热分解后的绝缘热解气体，形成导线整体的燃烧；而当I≤3.5Ie时，导线仅线芯发热，不会熔断，二者引发火灾的形式不同。

2)过电流导线电弧熔断痕与火烧熔痕的宏观特征较为相似，但喷溅熔痕和发散状熔痕是过电流导线所特有的，此为现场判断发生过电流故障的关键痕迹之一。

3)枝晶偏析组织是过电流电弧熔断痕的典型组织，并且随着电流值的升高，熔痕内呈枝晶偏析组织分布的范围明显扩大，几乎不再出现等轴状组织。