单股铜导线一次短路熔痕过渡区特征影响因素研究

 摘 要： 本文利用火灾物证综合试验台分别制备了三种规格的单股铜导线在不同短路电压条件下的一次短路熔珠，将熔珠在不同温度下进行保温处理后制成金相试样。对铜导线一次短路熔痕过渡区处的晶粒及气孔显微特征进行观察，并利用Image-Pro Plus 软件对所得金相图像进行处理分析并与国家标准（《电气火灾原因技术鉴定方法》GB/16840.1-1997）作比较，从而得出线径、短路电压、温度等对铜导线一次短路熔痕过渡区处晶粒粒径，气孔面积的影响规律。实验结果表明：当短路电压增加时，熔痕过渡区处晶粒会逐渐长大，气孔也会变大；导线线径增加，熔痕过渡区处晶粒会逐渐变大；受热温度增加时，熔痕过渡区处晶粒也会逐渐变大；高温和导线线径不会对一次短路熔珠内部的气孔产生影响。

关 键 词 铜导线; 一次短路; 过渡区;

Analysis on the Characters and Influencing Factors of the Transition Region of the Single Copper Wire First Short Circuit Melted Traces

Abstract: The integrated experimental station for fire trace material evidence was used to make single copper wire first short circuit melted bead of different size under different short circuit voltage.The beads wound be heated at different temperatures and made into metallographic ones.The crystals and pores at the trasition region of the copper wire first shotr circuit melted traces was obsorbed to use Image-Pro Plus software for image processing and analysis and compare with the national standard ("technical determination methods for electrical fire cause " GB / 16840.1-1997).By this way the regular pattern how wire size, short circuit voltage,temperature affected the transition region of first short circuit melted traces would arrive. Experimental results show that while short circuit voltage increase,the crystals of the transition region will turn larger, the pores will grow up,so will the pores;While the wire size increase,the crystals will turn large,so do the temperature;Temperature and wire size can not make an influence on the pores of short circuit bead.

Key word copper wire; first short-circuit; transition region

目 录
摘要…………………………………………………………Ⅰ
Abstract………………………………………………….. Ⅱ
目录…………………………………………………………Ⅲ

1 前言 2
1.1 选题背景及意义 2
1.2 国内外研究现状 2
1.3 研究内容及技术路线 2
2 实验部分 2
2.1 主要仪器与设备 2
2.2 实验材料 2
2.3 实验内容 2
2.3.1 一次短路熔珠的制备 2
2.3.2 金相试样的制备 2
2.3.3 金相组织的观察和记录 2
3 实验结果 2
3.1 熔痕过渡区金相组织宏观特征 2
3.1.1 表面特征 2
3.1.2 金相组织特征 2
3.2 熔痕过渡区金相组织微观特征 2
3.2.1 电压条件对熔痕过渡区的影响 2
3.2.2 线径条件对熔痕过渡区的影响 2
3.2.3 加热条件对熔痕过渡区的影响 2
4 结果分析与讨论 2
4.1 短路电压对熔痕过渡区的影响 2
4.1.1 短路电压对晶粒短轴直径大小的影响 2
4.1.2 短路电压对气孔面积的影响 2
4.2 导线线径对熔痕过渡区的影响 2
4.2.1 导线线径对晶粒短轴直径大小的影响 2
4.2.2 导线线径对气孔面积的影响 2
4.3 温度对熔痕过渡区的影响 2
4.3.1 温度对晶粒大小的影响 2
4.3.2 温度对气孔面积的影响 2
5 结论 2
参考文献 2
致谢 2
附录Ⅰ 不同条件对熔痕过渡区的影响 2
附录Ⅱ 定量金相数据 2

1 前言

1.1 选题背景及意义
2007-2010年,我国共发生火灾562235起,其中电气火灾167184起,占火灾总起数的29.7%居各种起火原因的首位，最近五年我国电气火灾发生的起数和造成的损失都占到了火灾总起数和总损失的1∕4；而重、特大电气火灾的起数和由此所造成的损失更是占全国重、特大火灾起数的35.6%和损失的39.7%[1]。随着我国经济的发展与进步，人民生活水平的不断提高，我国的用电量呈现出年年攀升的趋势，电气原因所引起的火灾也呈现出在增加的趋势。根据火灾统计显示，社会越发展，电气化程度越高，发生电气火灾的可能性就会越大。2009年，因电气引起的火灾41237起，占总数的30.2%，比重比上年提升了0.9%，造成直接财产损失65421.6万元，死亡358人[1]。电气引发的火灾成为了对人类社会危害最大的灾种之一。因此，预防和控制电气火灾的发生成为当前消防工作的一大重点。其中因电气线路故障引起的火灾又是电气火灾主要的方面，而常见的电气线路故障主要有导线过负荷、短路、接触不良等[2-4]。众所周知，火灾现场往往破坏严重，火灾证据很容易受到毁坏，给调查起火原因带来很大困难。如果我们能够正确理解电气火灾中铜导线短路熔痕形成机理，对于揭示火灾的形成原因将会有非常大的帮助。目前电气火灾现场残留物的鉴定结论是认定和排除电气火灾原因的重要证据[5]，而电气火灾现场残留物又多以导线熔痕的形式出现，《电气火灾原因技术鉴定方法》中从导线熔痕形成的原因出发，将其主要划分为三大类，其中一类为铜、铝导线因本身故障发生短路在导线上而形成的一次短路熔痕。一般认为只要在火场中找到一次短路熔痕，并与相关的证据联系到一起，就可以认定该起火灾是由电气故障引起的[6]。目前我国的电气火灾物证的鉴定，多为鉴定电气线路熔痕类型。根据《电气火灾原因技术鉴定方法》的内容，常用的鉴定方法主要包括宏观法、成分分析法、金相法和剩磁法，其中金相法是最为重要的鉴别导线熔痕类型的方法，也是目前我国研究较为成熟的鉴定方法并得到了广泛的应用。许多专业鉴定人员也都是通过《电气火灾原因技术鉴定方法》中的金相法，并结合其他相应的方法和多年的鉴定经验，对送检的导线熔痕进行认定。
1.2 国内外研究现状
国内动态：从目前的文献资料看，我国曾经用扫描电镜/ 能谱仪对导线的短路熔痕以及火烧熔痕等进行研究，文玉秀与王敏通过铜导线短路熔痕的SEM/EDS 分析实验表明铜导线发生一次短路时，熔痕表面气孔多，导线与熔痕之间有明显过渡区［7］。张晓凯、周忠平等通过对电气线路火灾中铜导线一次短路的显微组织特征发现一次短路熔珠在形成时, 过度区的界限比较明显。如果继续在火场的高温中不断加热, 短路熔珠内的细小柱状晶晶粒逐渐长大, 过度区随着温度的升高而再结晶变成粗大的等轴晶, 但其界限依然比较清楚。而二次短路熔痕在高温作用下, 界限会变得比较模糊［8］。金明、孙意在铜导线一次短路熔痕金相定量分析中指出铜导线一次短路的金相显微组织以细小的柱状晶和少量胞状晶为主，气孔数量较少，气孔偏小并呈现一定的方向性，过渡区比较明显［9］。台湾CHEN等人利用离子质谱仪 SIMS 对一次短路熔痕和二次短路熔痕不同深度表面的碳、 铜、 氧、 氯进行测定,得出了在不同深度表面上,一次短路熔痕和二次短路熔痕氯的含量有明显不同, 并且认定以此可作为判定的依据。而在国外，许多国家在铜导线熔痕认定方面也形成了自己的特点:日本对一次短路熔痕和二次短路熔痕进行了外观形貌特征、金相组织、微观形貌等进行了特征比较观察,得出了一系列有价值的结论;日本学者Eui- Py eo ng Lee等人采用扫描电子显微镜、 X- 射线散射分析仪进行了形貌观察和表面的成分分析, 并利用拉曼光谱对熔痕碳化残留物结构进行测定, 得出一次短路的导线熔痕内部含有石墨化碳和不定型碳, 而二次短路的导线熔痕内部仅含有不定型碳[10]。国外的研究更多的是着重于一次短路和二次短路导线熔珠的认定，对与短路熔珠在不同条件下金相组织的变化研究同样很少，但是很多学者认为一次短路熔珠形成后受火灾的影响很大，很多火场中的一次短路与火灾原因有很大的关系[11~12]。
1.3 研究内容及技术路线
从上文可以发现，目前国内外对一次短路熔痕过渡区特征的研究还是比较少的。而且只是得出了部分概况性的结论，仍然缺乏系统性的研究，尤其是对一次短路熔痕过渡区特征的研究相对较少，仍停留在初期阶段，有待于进一步的研究，得出更为系统详尽的研究结果。本课题通过短路电压、铜导线线径以及短路后温度的变化三个影响因素对单股铜导线的一次短路熔痕的特征进行研究，利用金相法对铜导线一次短路所形成的过渡区进行观察以及定量分析。从而得出以上三个变量对单股铜导线一次短路熔痕过渡区的微观特征的影响及变化。以便更好的分析和认定铜导线一次短路，为火灾调查工作提供