电压对多股铜导线的金相组织影响

 摘 要：近年来我国电气线路火灾事故频发，造成了大量的人员伤亡和财产损失，其中导致电气火灾的主要原因是短路故障,所以加强对电气短路的实验研究，对提高火灾物证鉴定的准确性具有重要意义。本文设计相关实验，分别对多股铜导线加载不同的交流电压以及直流电压进行一次短路和二次短路的模拟实验，收集两种短路熔痕，得到相应的金相图，通过分析比较从而得到电压对金相组织的影响规律。实验结果表明：对于一次短路，金相组织多为胞状晶和柱状晶，随着一次短路电压的增大，晶粒增大，晶粒排列的方向性变弱，孔洞逐渐由小而规整变化至大而不规则，过渡区由清晰变化至模糊。对于二次短路，金相组织多为粗大的柱状晶或粗大晶粒，同时有胞状晶，晶界较粗大，有被气孔分割的特征。随着二次短路电压的增大，短路熔痕的粒径增大，出现枝状裂纹。本文通过分析、对比不同电压下一次、二次短路熔痕金相组织，得出了电压对多股铜导线短路熔痕的影响规律，为电气火灾鉴定工作提供了一定的借鉴。

关键词 电气火灾；电压；多股铜导线；短路熔痕；金相分析

Affect of voltage on the metallurgical structure of multi-stranded copper wire

Abstract: In recent years, China's electrical fire happened frequently, resulting in a large number of casualties and property losses. What leads to electrical fires mainly is short-circuit fault, so to strengthen the experimental study of the electrical short circuit, has significance to improve the accuracy of the fire evidence identification. This author designs experiments, respectively, which loads type of AC voltage and DC voltage for a short circuit and the secondary short-circuit simulation on the multi-stranded copper wire. After collecting two short arcing and giving the corresponding phase diagram, finally we obtain the law of voltage on the metallurgical structure by analyzing and comparing. Experimental results show that: For a short circuit, microstructure for the cellular dendrite and columnar crystals. With the short-circuit voltage increases, grains become bigger and arrange directionally weaker. Meanwhile, the holes shape vary from circular to irregular and the transition zone changes from clear to fuzzy. For the second short-circuit, the microstructure of coarse columnar crystals or coarse grains, while cellular dendrite, coarse grain boundary characteristics of stomatal split. As the particle diameter of the secondary short-circuit voltage increases, the short-circuit fusible marks increased dendritic cracks. This paper analyzes the contrast different voltages, secondary short-circuit arcing microstructure obtained voltage multi-strand copper wire short circuit arcing electrical fire appraisal reference.

Keywords voltage; multi-strand copper wire; arcing experiment; metallographic analysis

目 录

摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
目录 Ⅲ

1 前 言 1
2 实验部分 4
2.1 实验设备与材料 4
2.1.1 实验设备 4
2.1.2 实验材料 4
2.2 样品制备 4
2.2.1 导线实验样品的制备 4
2.2.2 金相试样的制备 5
2. 3 实验样品的观察、分析和记录 5
3 实验结果 6
3.1 交流50V电压下的多股铜导线金相特征 6
3.1.1 一次短路导线熔痕金相图 6
3.1.2 二次短路导线熔痕金相图 7
3.2 交流220V电压下的多股铜导线金相特征 8
3.2.1 一次短路导线熔痕金相图 8
3.2.2 二次短路导线熔痕金相图 9
3.3 交流380V电压下的多股铜导线金相特征 10
3.3.1 一次短路导线熔痕金相图 10
3.3.2 二次短路导线熔痕金相图 11
3.4 直流12V电压下的多股铜导线金相特征 12
3.4.1 直流一次短路导线熔痕金相图 12
3.4.2 直流二次短路导线熔痕金相图 13
4 分析与讨论 14
4.1 不同制备条件下导线金相组织的形成过程和原因 14
4.2 不同电压条件下导线金相组织的形成过程和原因 14
5 结论 16
参考文献 17
致谢 19

1 前 言

近年来，我国火灾事故发生较为频繁，造成了大量的人员伤亡和财产损失，其中电气火灾占的比重较大，每年因电气原因引发的火灾占火灾起数的20%以上[1]。按起火原因分类，电气火灾一般是指由电气线路故障或其安装、使用、维护不当造成的火灾[2]。在我们工作和生活中，最常用的是家用220V交流电，工业生产380V交流电，而对于一些特殊设备以及汽车等线路则应用的是直流电，但是无论是交流电还是直流电，因其引发的火灾多发生于住宅，仓库，汽车等封闭空间内，不易被发现，传播速度较快，所以造成的人员伤亡较多，都具有较高的火灾危险性。有关资料显示，1997年～2007年全国共发生重特大电气火灾1324起，直接财产损失15.6亿元，分别占全部重特大火灾的31.5％和44.3％，占据了各类火灾之首[3]。在近十年来，造成我国电气火灾的主要原因是短路、过热、接触不良、过负荷、漏电，所占比例高达89．5％，其中短路是引发重大电气火灾最严重的故障形式，约占总比例的50．73％[4]。所以，加强对火灾物证鉴定中的短路熔痕的研究对于确定火灾责任归属、解决矛盾和纠纷、减少和预防类似的火灾再发生，有十分重要的现实意义。本文通过实验模拟一次短路和二次短路熔痕在火场的形成过程，研究和探讨了电压对多股铜导线的金相组织的影响，为实际鉴定工作中确定火场中的电压因素提供了一定的参考依据。
目前我国主要的火灾短路痕迹的鉴定方法有6种，即宏观法、金相法、微观形貌法、成份分析法、剩磁法和模拟实验法，其中金相分析法应用最为广泛[5]。在火场短路痕迹上应用金相法，是依据同种导线金属经过不同的加热、保温、冷却等一系列热处理后，根据金相组织所呈现的不同变化特征判定熔痕的成因，可以用于鉴定短路、过载、接触电阻过大、漏电、火灾热作用等产生的熔痕[6]。它发展前景广阔，随着理论研究的深入，鉴定经验的积累，该技术已被广大火调工作者熟练掌握并运用，成为火灾原因调查中常用的一种科学方法。我国火调专家王希庆最早将金相分析技术的科学理论、技术方法和仪器设备运用到电气火灾原因鉴定上[7]。赵长征、邸曼、高伟、潘刚、刘振刚、孟庆山等专家对铜导线熔痕实验及其痕迹判定方法进行了详细的研究，提出了具体的根据金相组织中晶粒的大小和分布规律判断火灾原因的科学依据[8]。我国经过数年的研究与实践，通过一系列运用金相分析法的实际工作，在解决电流、加热温度、消防射水等不同火场条件对一次、二次短路熔痕性质影响的问题上进行了深入研究，形成了较为完整的体系和结论，使短路熔痕的鉴定工作实现规范化，标准化。
国外方面通过查阅相关资料可知，目前日本、美国、瑞士等国家在电气火灾原因调查上也形成了相关的鉴定技术。日本根据导线熔痕的特征,提出火烧痕、一次短路痕、二次短路痕的外观检验法。美国采用的金相检验分析技术，基于微观结构，确定铜导线熔痕是火灾加热所致，还是电流通过导体产生高热而形成，用以鉴别导线的火烧熔痕和短路熔痕。原苏联专利提出的X射线方法，可研究火场中提取的导线结构，据熔痕显示出的星茫现象，来认定导线熔痕是短路产生的还是火烧产生的。瑞士采用的表面分析方法，着重分析火场提取的导线熔痕表面附着物，来判定熔痕的成因，但熔痕外表面成分的数据，由火灾燃烧的复杂程度决定，分散性较大[9-12]。总之，国外对电气火灾痕迹物证鉴定十分重视对电路熔痕的鉴定，通过对火灾发生后电路导体的外观检查法来判定熔痕特性，并采用金相检验分析技术，基于微观结构，可判定铜导线的熔痕是火灾加热导致还是电流通过导体发生高热而致。
对于本课题，金属结晶的基本规律是晶核的不断形成和不断长大。通过运用金属结晶的基本规律来鉴定电气火灾现场起火点及其附近残留的导线融化痕迹，从金相组织特征确定熔痕的熔化性质，即由电的热作用形成还是由火灾热作用形成，即由电热作用的一次短路（火前短路）、二次短路（火后短路）还是火烧形成，为直接认定或排除电气火灾原因提供客观、科学的依据。在实验研究中发现，线路短路时产生的熔痕，如果是圆形和尖形熔痕，其组织为晶界粗大的胞状晶，且(Cu+Cu2O)共晶体存在晶界处，近乎延时短路(短路持续时间略长)形成的熔痕金相组织；如果是小结疤颗粒状熔痕，则为细密的胞状晶[13]。铜导线在过载条件下，随着电压的增加，其短路能量增大，温度升高，晶粒变大。中山大学韦媚媚，梁栋等人撰写的《电气火灾导线熔痕实验和金相分析》一文就针对低压线路常见电气火灾的导线火烧和短路熔痕物证的鉴别进行了研究，条件设计为不同加热温度、冷却方式和保温时间进行火烧或高温的模拟实验，没有探讨电压的作用[14]。王连铁，高伟等人在《直流与交流电气线路中铜导线短路痕迹的分析》中对于直流电和交流电的不同短路熔痕组织特征进行了具体的分析，其着重阐述分析了交流与直流电分别对于到导线金相的具体影响[15]。所以目前研究短路电压会对导线熔痕金相组织有什么影响的文献较少，相关参考结论缺乏，这也正是本文研究要深入探讨的。
综上所述，明确电压对受热多股铜导线的金相组织影响对于解决火灾物证鉴定中的实际问题有重要帮助，且国内外对于此方面研究较少，所以充分深入研究本课题是非常必要的。