多股铜导线一次短路熔痕分界线特征影响因素研究

 摘 要:本文模拟火场条件，利用火灾痕迹物证综合实验台制备了2.5mm2、4.0mm2多股铜导线一次短路熔痕样品。实验主要模拟火灾中一次短路熔痕形成时的火灾场景，设定短路电压为交流电压50V和60V，制备了多组一次短路熔痕试样，并将其在马弗炉中分别在400℃和800℃条件下进行加热处理，然后模拟火场消防射水条件，对加热后部分样品进行水冷却处理。实验采用宏观分析和金相分析相结合的方法，观察金相试样短路熔痕过渡区区域的晶粒形态、晶粒大小、晶粒接合方式、气孔数量等特征变化规律。通过截线法定量计算过渡区两侧晶粒平均截线长度和平均面积，比较过渡区两侧晶粒平均面积比值。实验结果表明过渡区一侧主要以细小的胞状晶和柱状晶为主，另一侧以较大的等轴晶为主。电压越大，短路熔痕过渡区越明显；铜导线线径大小影响过渡区处的晶粒面积大小；在加热条件下，过渡区处的两侧晶粒平均面积比值会越来越小；加热射水条件下，过渡区处晶粒会有粘结状，过渡区不明显。

关键词：一次短路；过渡区 ；截线法；多股铜导线；定量分析

Multi-strand copper wire short arcing characteristics influencing factors of the transition zone

Abstract: This paper simulated fire conditions, fire traces of evidence bench 2.5mm2, 4.0mm2 multi-strand copper wire short circuit arcing samples were prepared. Experiment simulated fire in the formation of a short circuit arcing fire scene, setting short-circuit voltage of the AC voltage of 50V and 60V, group short arcing sample was prepared, and in a muffle furnace at 400 ° C and subjected to heat treatment under 800 ° C condition, then simulated water jetting conditions, cooled the part of the sample by water after heating. The experiment using a combination of methods of macroeconomic analysis and metallographic analysis, to observe the metallographic sample short circuit arcing boundary area grain shape, grain size, grain bonding, the number of pores characteristic variation. Calculated through the cut-off line in the amount of grain on both sides of the transition zone between the average cross-sectional line length and the average area, compare the ratio of the average area of the transition zone between both sides of the grain. Experimental results show that the side of the transition zone between small the cellular dendrite and the columnar grain-based, the other side of the larger equiaxed. The higher the voltage, short circuit arcing more obvious transition zone; copper wire diameter size affects the transition zone at the grain size; under heated conditions, on both sides of the transition zone at the average grain area ratio will become increasingly smaller; shotting water after heating, the transition zone at the grain will have bonded like, transition zone is not obvious.

Keywords: primary short-circuit；transition zone；linear intercept method；multi-strand copper wire；quantitative analysis

目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III

1 前 言 1
2 实验部分 3
2.1 实验设备与材料 3
2.1.1仪器与器材 3
2.1.2试验材料 3
2.2 样品制备 3
2.2.1 导线试验样品的制备 3
2.2.2 金相试样的制备 4
2.3 定量金相测量方法 4
2.4 观察与记录 5
3 实验结果 6
3.1 不同电压下的熔痕过渡区金相组织 6
3.1.1 50V电压下的熔痕过渡区 6
3.1.2 60V电压下的熔痕过渡区 6
3.2 不同线径下的熔痕过渡区金相组织 7
3.2.1 2.5 mm2多股铜导线 7
3.2.2 4.0 mm2多股铜导线 8
3.3 加热条件对熔痕过渡区的影响 9
3.3.1 400°C加热 10min 9
3.3.2 800°C加热10min 10
3.4 射水冷却条件对熔痕过渡区的影响 11
3.4.1 400°C加热10min后射水 11
3.4.2 800°C加热10min后射水 12
4 分析与讨论 14
4.1 电压对熔痕过渡区的影响 15
4.2 线径对熔痕过渡区的影响 17
4.3 加热对熔痕过渡区的影响 18
4.4 加热后射水对熔痕过渡区的影响 21
5 结论 23
参考文献 24
致 谢 26

1 前 言

如今电气火灾已成为我国建筑火灾最主要的火灾类别之一。由电气线路故障或使用不当而引起的火灾次数越来越多，造成的人员伤亡和财产损失逐年呈上升趋势。电气火灾因突发性强、隐蔽性大而频频发生。
据统计，电气火灾年均发生次数占总火灾次数的28%，而且增长势头快，损失巨大，严重危害国家财产和人民生命安全[1]。电气引起的火灾居高不下，要求科学、准确认定火灾原因已是必需的程序。从目前火灾调查人员及鉴定机构的调查研究情况看，电气火灾的直接致灾原因有两类：一类是电气线路故障，包括短路、过负荷、接触不良、漏电、配电盘故障；另一类是电气设备故障，包括加热器具使用不当等[2]。而短路火灾是所有电气火灾最主要的原因之一。
短路火灾发生过程：导线绝缘层破坏后，相线之间，相线与中性线或保护线之间电阻很小的情况下相碰产生短路。整个电路电流会突然增大，在短路点或导线连接松动的接头处同时产生电弧或火花。电弧温度可达2000 ℃以上，在极短时间内发出的热量，不但可使金属熔化，引燃本身的绝缘材料，还可将其附近的可燃材料、蒸汽和粉尘引燃造成火灾。
短路火灾会在带点部分的铜质线路上找到铜线熔痕。短路熔痕属于电弧瞬间高温熔化，具有冷却速度快，熔化范围小的特点[3]。根据通电导线熔痕形成的原因，一般将其分为一次短路熔痕和二次短路熔痕[4]。一次短路又称火灾前短路，是指导线由于自身故障于火灾发生前形成的短路。二次短路又称火灾中短路，是指带电导线在外界火焰或高温作用下，导线绝缘层失效引发的短路。一次短路熔珠与导线衔接处的过渡区明显；二次短路熔珠与导线衔接处的过渡区不太明显。一次短路熔珠以树枝晶为主，二次短路熔珠在凝固温度较高和中等时为等轴晶，在凝固温度较低时为粗大的柱状晶[5]。
国外对电气火灾原因及对各种熔痕的分析也有很多广泛的研究，但是由于火灾现场的复杂性、多变性，导线痕迹的金相组织受火场温度、持续时间以及消防射水的影响很大，熔痕及其过渡区调查的难度被显著提高。美国、法国通过对建筑物火灾中的铜导线痕迹特征进行金相分析，用其外观形貌和金相组织特征来鉴别导线短路痕迹和火烧痕迹。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的上，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[6]。日本学者Eui-Pyeong 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碳型碳，而二次短路的导线熔痕内部仅含有不定型碳[7]。国外的研究者对熔痕的看法并不一致，有学者认为一次短路熔珠形成后受火灾的影响很大[8-10]。但对于短路熔珠和未熔化导线相接处过渡区的研究，国内外学者还没有较深的研究，还处于边缘区域。在火场高温条件下，熔珠晶粒及过渡区受热后会产生一定程度的形态变化。火灾中金属导线由于受热将发生回复和再结晶过程，由于导线在不同火灾中的受热方式和受热程度不同，冷却方式和过冷度也不同，因而造成了金属导线再结晶情况的差异[11]。短路熔痕过渡区的研究能进一步认识短路火灾，不同因素能够在不同条件下影响过渡区的特征，能对短路火灾有更直观的认识。明确多股铜导线一次短路熔痕过渡区特征因素影响，对短路火灾调查和痕迹物证鉴定工作具有一定的的借鉴和参考意义。