过电流诱发通电导线短路故障发生过程与熔痕特征

李朝阳，赵彬岐

1.贵州省消防救援总队 法制与社会消防工作处，贵州 贵阳 550000；2.中国人民警察大学 防火工程学院，河北 廊坊 065000

0 引言

我国应急管理部消防救援局公布的数据显示，2020年共发生25.2万起火灾，其中电气火灾8.4万起，占火灾总数的33.3%[1]。当线路中电流值过高并持续足够长时间时，导线线芯持续发热，致使外层绝缘材料发生热解反应、软化下垂，形成袖套状痕迹，造成导线失效进而引发火灾[2]。由于受内部线芯持续加热的作用，绝缘层热解程度越来越高，导线绝缘层炭化导电性增强，进而形成导电路径，导致导线发生短路击穿[3]。2018年，哈尔滨市某酒店发生火灾，造成20人死亡，23人受伤，这场火灾的起火原因就是由于管组风机转子卡阻，造成导线电流升高，诱发短路进而引发火灾[4]。过电流诱发短路过程涉及线芯发热、绝缘热解、电弧击穿等复杂现象，具有较高火灾危险性，在火灾调查工作中亟须对过电流诱发短路故障过程及熔痕特征进行系统研究，但关于此方面的研究较少。

目前，对引发电气火灾的机理研究，多集中于炭化路径短路、热颗粒喷溅等常见电气故障诱发导线短路的研究。Beland[5]提出流经导线的电流比额定电流高很多且作用一定时间是能否产生袖套现象的条件。Ferrino-Mcallister等[6]对比分析导线在内部过负荷和外部辐射热作用下的变形特征及短路时间。Hoffmann等[7]、Novak等[8]、Fisher等[9]及Iwashita等[10-11]利用外部热源对不同导线进行热辐射，以模拟火场中火焰或热烟气对导线的破坏作用，在线芯熔痕、绝缘击穿、短路时间及短路机理等方面取得了一定成果。在绝缘表面火焰蔓延方面，Fernandez-Pello等[12]在外加辐射热作用下，研究了绝缘电缆表面引燃延迟时间和火焰蔓延速率。但上述研究均集中在导线受到外部加热作用发生的故障，而导线受到内部热作用后，发生绝缘失效和短路击穿现象的过程与其存在本质区别。本文对常用铜芯聚氯乙烯绝缘护套扁形导线(RVVB)，在大于额定电流条件下，研究导线因过电流故障导致线芯过热、诱发短路击穿现象、引发火灾事故的过程，并分析短路熔痕特征，为准确认定此类火灾事故提供依据。

1 试验部分

选用正泰电器有限公司生产的、额定电流为8 A的1.0 mm2RVVB导线(见图1)。该导线由双芯铜线组成，两根线芯均由20根细线芯绞合而成，分别由聚氯乙烯(PVC)绝缘包裹，外层再由PVC护套将两根导线包裹，线芯直径为1.13 mm，绝缘材料厚度为0.8 mm。试验导线截取长度为36 cm，两端分别去掉3 cm绝缘层，经由德力西HDBE-63 C型2P小型断路器与试验设备相连接。

图1 1.0 mm2RVVB导线

试验设备主要有电气火灾故障模拟及痕迹制备装置和可调式变阻器(中国人民警察大学自主研发)。电气火灾故障模拟及痕迹制备装置电流调节范围为30～300 A，精度为0.1 A；可输出50 Hz的交流电，电压调节范围为0～660 V，精度为1 V；电流电压的采集频率可达到1.5×104Hz。可调式变阻器内置额定功率为3和6 kW电阻各1个，额定功率为1.5 kW电阻11个，最大功率达25.5 kW，在220 V交流电压下最大可控电流为66 A。

试验装置如图2所示。通过电气火灾故障模拟及痕迹制备装置输出220 V交流电压，利用可调式变阻器设定45,48,51,54,57,60,63,66 A共8个试验电流值，每个电流值分别进行10组平行试验，以导线发生短路故障，或试验时间达1 h为限。使用Canon 5DMarkⅣ照相机记录导线过电流诱发短路故障全过程。使用Phantom VEO 640高速摄像机捕捉短路拉弧瞬间现象，以研究短路电弧引燃导线的过程。

图2 试验装置示意图

2 试验结果与分析

2.1 过电流诱发导线短路击穿过程

当通过导线电流过大时，线芯会持续释放热量，并由内及外作用于绝缘层。由于绝缘层的主要材料为PVC，根据其热塑性，表面温度升高至60 ℃后就会发生软化，达到173～183 ℃时出现起泡现象，并冒出白烟。当绝缘内层进一步热解，会出现炭化、产生缝隙，此时导线发生短路故障存在两种情况：一种情况是两根线芯间形成离子介质，导线发生电弧击穿；另一种情况是绝缘脱离线芯，导致两根线芯直接接触，进而引发短路故障。

利用Photoshop软件的视频截帧功能，对过电流诱发导线短路故障进而引起明火燃烧的过程视频进行处理分析。图3为导线在45 A过电流作用下，发生短路故障进而引起燃烧的过程。当过电流作用于导线243 s时，绝缘层因受到线芯持续发热作用，发生软化、起泡，并开始冒出白烟；绝缘层及护套持续受热，在519 s时出现炭化，并出现缝隙，形成炭化路径型短路发生的条件；542 s时导线发生初次短路，整个短路拉弧过程持续近3 s，因短路电弧产生瞬间的高能量，绝缘层前期热解产生的可燃气体被引燃，出现明火，火焰进而将绝缘残留物引燃，开始沿导线向两端蔓延；火焰在燃烧27 s后，逐渐熄灭。

图3 导线在45 A条件下诱发短路进而引起明火燃烧的过程

在线芯发热前期，导线绝缘层由内向外散热，当温度达到PVC软化温度时，绝缘层开始软化鼓泡，从缺口处冒出白烟。在持续受热一段时间后，绝缘层由内及外出现炭化，并会开裂形成间隙。SFPE[4]中指出：当绝缘层产生间隙，流经导体的电流大于0.1 A时，电子可将空气作为电离介质，形成回路从而产生击穿现象。由于电弧温度在标准大气压下可达到6 500～12 000 K[4]，因此当发生击穿电弧时，电弧可将绝缘层前期热解产生的HCl气体和残留物引燃，产生明火燃烧，且火焰会沿导线水平方向蔓延。

2.2 过电流诱发导线初次短路击穿时间分析

试验发现，导线电流在39和42 A条件下，没有发生短路击穿现象，在45 A时，导线有7次平行试验未诱发短路故障，而其他7个电流值都发生了短路故障。将导线在不同过电流下短路故障发生时的初次短路时间进行统计分析，结果如图4所示。分析图4中数据可知，在所设定的试验条件下，最长初次短路时间出现在45 A时，为1 796 s；最短初次短路时间出现在66 A时，为46 s。对初次短路平均时间进行拟合，可得到图4所示曲线。其拟合参数R2为0.991 6，表明初次短路时间与电流值之间存在良好的指数递减关系，即电流值越大，导线过电流诱发短路故障的概率越高，产生短路电弧时间越短。若导线附近有可燃物存在，则当电流达到某一条件诱发导线发生短路拉弧时，会迅速将可燃物引燃，从而引发火灾事故。

图4 不同过电流下导线发生初次短路的时间

2.3 过电流诱发导线短路持续拉弧现象

通过高速影像发现，导线在第一次击穿发生后，由于电源侧仍处于通电状态，两根导线间仍具备发生短路的条件，因此导线会出现向电源侧移动的间歇性持续拉弧现象。NFPA 921指出[3]，如果电路中出现其他短路击穿位置或下游发生击穿现象，那么短路电弧应与下游电弧同时发生或在下游电弧之后发生。由于导线在初次短路击穿发生后，会出现间歇性持续拉弧现象，电弧高温作用时间随之延长，因此导线火灾危险性大大增加。利用Photoshop软件截帧功能，可捕捉到导线发生持续拉弧的时间间隔及电弧发生次数。图5为导线在45 A时发生的持续拉弧现象，第一次电弧发生328 ms后会发生第二次拉弧现象，在3 606 ms后发生第五次拉弧。由于拉弧间隔很短、电弧自身能量很高，因此形成的电弧能迅速点燃绝缘层最初热解产生的可燃气体，并引燃绝缘层。

图5 导线在45 A时击穿电弧的时间间隔

统计导线在不同过电流下发生持续拉弧时的电弧次数(见表1)。由表1数据分析可知：导线发生持续拉弧次数是随机的，导线在45 A时发生持续拉弧的试验组数比其他电流值少，多为一次拉弧；当I≥48 A时，导线发生持续拉弧的现象增多，在63 A时所有试验中都发生了持续拉弧现象；在同一电流下一组试验中导线发生持续拉弧的次数最多达到13次，分别出现在54和63 A。

表1 导线发生短路故障时的拉弧次数

2.4 导线短路熔痕组织形貌特征

图6为试验中导线过电流诱发短路故障产生的线芯熔痕。从图6可以看出，因导线发生持续短路击穿现象，线芯多处出现熔断，同时产生多个线端熔痕和电弧熔珠。线端熔痕宏观形貌主要可分为圆珠状、尖状和断口状，部分线芯上会出现小结痂痕，是典型的短路电弧作用熔痕。电弧熔珠多为半球状，同时在产生过程中多个熔珠会粘连在一起，形成不规则状。导线在发生间歇性拉弧时，可能会产生多个熔断点，因此也会收集到一小段线芯熔痕。在实际火灾现场，调查人员常可以提取到大量导线线芯熔痕和电弧熔珠，但从试验可以看出，并不是所有熔痕都可能引发火灾，因此在根据熔痕特征认定起火原因时，还应结合实际火场情况和其他痕迹证据。

图6 过电流诱发短路故障产生的线芯熔痕

对收集到的线端熔痕和熔珠的金相组织进行观察分析，得到两者的典型金相组织特征，如图7、图8所示。图7中导线线端熔痕的晶粒组织主要为粗大的柱状晶，与本体组织之间有较明显的分界线，具有指向本体的明显方向性。图8为电弧熔珠的两种典型金相组织。图8(a)中，熔珠的晶粒主要为树枝晶，晶体结构紧密而有序地排列，具有明显的方向性，孔洞数量较少且尺寸较小。图8(b)中，熔珠晶粒为等轴晶，孔洞数量明显增多，尺寸有所增大，形状较圆。两种金相组织类型存在明显不同，但这两种电弧熔珠是在同一过电流条件下产生的，因此在实际物证鉴定工作中遇到此种情况时，并不能以此为依据认定电气线路发生的短路类型。

图7 线端电弧熔痕金相组织

图8 电弧熔珠金相组织

3 结论

通过对过电流诱发通电导线短路故障进行试验研究，得出如下结论：(1)当过电流持续作用于导线时，线芯会持续发热，热量由内及外作用于绝缘层，内部绝缘层最先发生热解反应，外部绝缘层经过起泡、冒烟、炭化后，导线会发生短路击穿现象，并出现燃烧现象。(2)过电流诱发导线的初次短路时间与电流值之间存在良好的指数递减关系，最长初次短路时间出现在45 A时，为1 796 s，最短初次短路时间出现在66 A时，为46 s。(3)过电流导线在发生初次击穿后，导线会出现向电源侧移动的间歇性持续拉弧现象，在45 A时多为一次拉弧，I≥48 A时发生持续拉弧的试验组数增多，在54和63 A的同组试验中持续拉弧次数最多可达到13次。(4)过电流诱发导线短路后，线芯受电弧作用会形成线端熔痕和电弧熔珠，线端熔痕的金相组织主要为粗大的柱状晶，同种条件下产生的电弧熔珠存在不同金相组织特征，多为树枝晶和等轴晶。