铝导线一次短路熔痕分界线特征影响因素研究

 摘 要：电气火灾一次短路熔痕的鉴别和判定对分析火灾原因和事故认定至关重要。本课题模拟火场现场形式，利用火灾痕迹物证综合试验台，制备单股铝导线一次短路熔痕，设计不同线径、电压、温度的实验条件，观察相应短路熔痕分界线的金相组织。同时引入描述熔痕分界线金相组织特征参数，基于Image-ProPlus 应用数字图像处理技术提取图谱的金相组织特征参数进行定量分析，讨论金相组织晶粒平均面积和平均粒径的变化特点，实现金相微观组织特征参数和熔痕分界线之间的关系数据对比分析，探讨一次短路熔痕金相组织的量化判据和变化规律。实验结果表明，短路电压、导线线径和温度条件均可对单股铝导线一次短路所形成的熔痕分界线金相显微组织的微观形态产生一定影响。

关键词 铝导线； 一次短路； 分界线； 定量分析； 金相分析

Studing On The Influenced Factors Of Boundary Charactristics Of Melted Mark Of Primary Short Circuiting Aluminum Wire

Abstact: The authentication and judgment of fire primary short circuiting melted mark in electrical is vital for fire reasons and accident analysis. This paper simulating the fire site situation and using the fire evidence bench, made primary short circuiting melted mark of aluminum wires, designed of the experimental conditions for different diameter, voltage, temperature, observed the microstructure of boundary of melted mark of primary short circuiting aluminum wire. At the same time auther introducted the microstructure characteristic parameters description of boundary of melted mark, discussed through digital image processing techniques based on Image-Proplus software, and the microstructure characteristic parameters of the metallographic patterns contained the microstructure of average grain size and the average particle size to achieve the metallographic microstructure characteristic parameters and boundary of melted mark between the relational data comparative analysis, explored the short arcing quantitative data and variation of the microstructure. The experimental results showed that short-circuiting voltage, wire diameter and temperature conditions could have influence on the microstructure morphology of boundary charactristics of melted mark of primary short circuiting aluminum wire.

Keywords aluminum wire; primary short circuiting; boundary; quantitative analysis; 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 短路熔痕样品的制备 4
2.2.2 金相试样的制备 5
2.3 试验样品的观察、分析和记录 6
3 实验结果 7
3.1 电压对金相组织的影响 7
3.1.1 4mm2铝导线在不同电压条件下的金相组织图像 7
3.1.2 2.5mm2铝导线在不同电压条件下的金相组织图像 8
3.2 线径对金相组织的影响 9
3.2.1 两种线径在30V电压下的金相组织图像 9
3.2.2 两种线径在50V电压下的金相组织图像 9
3.3 温度对金相组织的影响 10
3.3.1 4mm2铝导线在不同温度条件下的金相组织图像 10
3.3.2 2.5mm2铝导线在不同温度条件下的金相组织图像 13
3.3.3 两种线径加热600℃，20min后金相组织图像 15
4 分析与讨论 16
4.1 不同电压对熔痕分界线特征的影响 16
4.1.1 平均粒径的定量分析 16
4.1.2 晶粒平均面积的定量分析 18
4.2 不同线径对熔痕分界线特征的影响 21
4.2.1 平均粒径的定量分析 21
4.2.2 晶粒平均面积的定量分析 23
4.3 不同温度对熔痕分界线特征的影响 25
4.3.1 平均粒径的定量分析 25
4.3.2 晶粒平均面积的定量分析 28
5 结论 31
参考文献 32
致谢 33

1 前言

火灾是威胁人类生命财产，社会公共安全以及影响经济发展的一种常见的灾害。随着我国经济的飞速发展，社会物质财富越来越丰富，火灾事故也在不断增加，引起火灾的原因日趋复杂，调查、认定火灾原因的难度也越来越大。找寻火灾痕迹物证特征，总结火灾事故发生发展的规律势在必行。
电气火灾是我国最常见的火灾类型，而短路是引起电气火灾的最主要原因之一。在火灾调查中，如果短路发生在火灾前，则称为一次短路；如果短路发生在火灾中，由于导线绝缘层被火灾破坏而发生短路，则称为二次短路。一次短路可能与火灾原因有关，二次短路与火灾原因无关，但是可以用来判断线路及设备的通电状态及火灾蔓延方向[1]。一次短路熔痕在形成时，因环境温度较低，只有在短路点短路瞬间处于高温状态，而本体导线的温度并不高，其金相组织仍然呈加工方向性，所以熔痕分界线（熔痕与导线衔接处）比较明显。因此，在火灾现场勘验中，根据火灾现场提取的短路导线熔痕进行金相显微组织分析从而判断短路熔痕是否属于一次短路，对电气火灾原因认定具有重要意义。
迄今为止，国内外在电气火灾以及对各种熔痕分析都有了比较深入的研究。从20世纪70年代末开始，美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；瑞士提出对导线熔痕外表面进行成分分析，用以鉴别导线的短路熔痕和火烧熔痕。日本根据导线熔痕的特征，提出火烧痕、一次短路痕的外观检验法。自80年代以来，我国已研究完成了多种电气火灾原因技术鉴定方法。目前，公安部沈阳消防科学研究所提出的鉴定技术方法主要有六种，即：宏观鉴别法[2]、成分分析法[3]、剩磁法[4]、金相分析法[5]、微观形貌法、模拟试验法，并已编制成国家标准[]67。
当前我国绝大部分的新建住宅中均使用铜导线，但是老旧房屋及部分地区住宅中依然有使用铝导线的现象，根据近几年来的火灾统计资料，我国农村和城市一些旧式住宅中的电气线路依然在使用铝导线[15]。金与银的导电性很强，但它们的市场价格较高，无法大量使用，而纯铝的导电性大约为38~34m/Ωmm2[8]，铝和铜的导电性能仅次于金和银，相比之下性价比更高。据美国消费品安全委员会(CPCS)统计的火灾发生率，铝导线为铜导线的55倍[9]。纯铝的熔点为660.2℃[8]，铝导线比铜导线容易发生线路故障带来的高温作用，同时也更易屈服于火场高温，因此更具火灾危险性。而电气火灾鉴定方法中研究较多的是铜质导线熔痕，而对于熔点较低的铝导线，研究较少。目前关于铝导线的研究主要集中在熔痕的微观形貌特观察。例如利用扫描电子显微镜对铝导线熔痕气孔的微观形貌进行观察和分析[10]， 用扫描电镜观察分析了各种实验室模拟火灾条件下铝导线及其熔珠熔痕的显微组织结构特征，并和火灾现场取样的组织结构相比较[11]等等。无论是对铜导线还是铝导线熔痕的研究，大多集中在定性方面，对导线熔痕特征的定量分析做的较少，人们都采用传统的定性和半定量的方法对金相组织进行分析和评定。随着现代科学的发展，特别是定量金相学理论和数字图象技术的发展，定量金相学在实际工作中得到了更广泛地应用，已经成为金相学的一个重要分支。目前，定量金相的自动图象分析在材料科学领域中已得到广泛应用。无疑，定量金相的自动图象分析与手工测试相比无论在准确度和快速性方面都是无法比拟的。因此，它在金属材料的研究和生产中已经发挥了显著的作用。
目前，在定量金相上常用的软件有Photoshop，Image-ProPlus等等。当今各种图像仪和专家系统的发展有力地推动了金相显微组织定量检测和分析的快速发展[12]。Photoshop主要处理以像素所构成的数字图像，使用其众多的编修与绘图工具，可以更有效地进行图片编辑工作。本课题在处理金相组织图像进行定量分析时，使用的是Image-ProPlus软件。Image-ProPlus是功能强大的2D和3D图像处理、增强和分析软件，具有异常丰富的测量和定制功能[13]。作为鼎鼎大名的Image-ProPlus软件系列中功能最强大的成员之一，它包含了异常丰富的增强和测量工具，并允许用户自行编写针对特定应用的宏和插件，是世界最顶级的图像分析软件包。它的图像分析测量提供点、线、面积和角度测量四大类，提供多种的测量参数，如目 标面积、周长、长短径、形状因子、平均灰度、积分光密度、绝对光密度、核浆比等每项测量参数的显示可有多种形式，如数据列 表、直方图、位点图、频谱图等。自动对目标图像进行分割，计数、统计、归类、测量等操作，并可自动编号，显示每个测量目标的各项参数。用户可自行设置测量参数或编辑用户所需测量参数。
本课题利用综合实验台模拟火灾条件制备单股铝导线一次短路熔痕，使用金相显微镜对铝导线在不同条件下形成的熔痕分界线进行观察，通过Image-ProPlus软件对图像进行处理，选择平均粒径和晶粒面积作为定量分析的考察对象并进行统计，利用Excel 、SPSS软件对数据分析汇总，最后对图像及数据研究，总结出影响铝导线分界线特征的因素，并找出一般规律，为今后的火灾勘查工作提供参考依据。