ZR-BV單芯銅線過電流故障電弧熔痕特征研究*

王 博，李 陽，司永軒，徐學(xué)巖，榮彥超

(1.中國人民警察大學(xué) 研究生部三隊，河北 廊坊 065000；2.中國人民警察大學(xué) 火災(zāi)物證鑒定中心，河北 廊坊 065000；3.開封市消防救援支隊，河南 開封 475000；4.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

過電流故障是引發(fā)火災(zāi)的常見故障類型，具有很強的引燃能力[1]，短路、過負荷、中性線浮動等原發(fā)性故障多以過電流的形式表現(xiàn)出來，因此過電流故障在火場中十分常見。針對過電流故障，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究：Choi等[2]用高速攝像機研究了無絕緣單芯銅導(dǎo)線過電流熔斷點處電弧熔痕的特征，發(fā)現(xiàn)過電流故障導(dǎo)線熔斷時會產(chǎn)生斷路電??；Babrauskas[3]對過電流故障導(dǎo)線的引燃能力進行了研究，并將其編入美國消防工程手冊(SFPE)的相關(guān)章節(jié)；張金專等[4]研究了過電流時間和倍數(shù)對銅導(dǎo)線本體金相組織的影響；Fujita[5-6]研究了微重力條件下，導(dǎo)線過電流故障絕緣層的燃燒特征，主要針對于航空航天器；Wright等[7]對單芯銅導(dǎo)線與多股銅導(dǎo)線在過電流故障作用下形成痕跡的宏觀特征進行了研究，認(rèn)為2種導(dǎo)線存在顯著差異；何豪等[8-9]對過電流聚氯乙烯導(dǎo)線絕緣層燃燒時火焰蔓延和絕緣的滴落行為進行了研究；Orcajo等[10]對過電流故障機理進行研究，表明在國外110 V供電系統(tǒng)條件下，過電流故障通常作為原發(fā)性故障導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。綜上所述，目前對過電流導(dǎo)線的研究主要集中在過電流故障的引發(fā)原因、引燃能力、絕緣層的燃燒特征，但對過電流故障導(dǎo)線熔斷痕跡宏觀特征及金相組織的系統(tǒng)研究較少。

本文將不同電流值加載于2.5 mm2的ZR-BV單芯銅線，對導(dǎo)線過電流故障時的視頻影像進行截幀處理，分析其高速影像，利用體視顯微鏡對形成痕跡的宏觀特征進行觀察，并利用金相法對其金相組織進行分析，為準(zhǔn)確識別火場中的過電流故障提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗耗材

1)銅導(dǎo)線：2.5 mm2ZR-BV單芯銅線(正泰電線電纜)，額定電流Ie=34 A，導(dǎo)線規(guī)格見表1。

表1 導(dǎo)線規(guī)格參數(shù)Table 1 Specification parameters of wire

2)浸蝕劑：氯化鐵鹽酸水溶液(5 g氯化鐵、50 mL鹽酸、100 mL水)。

3)其他材料：自凝牙托粉；自凝牙托水；無水乙醇；120#,2 000#,3 000#砂紙。

1.2 儀器設(shè)備

1)電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置：該裝置為中國人民警察大學(xué)自主研發(fā)裝置，可采集通過導(dǎo)線的電流、電壓，采集頻率為1.5×104Hz；可控電壓為0～660 V，采集精度0.15 V；可控電流為0～300 A，采集精度0.1 A，用于過電流的發(fā)生裝置。

2)Phantom VEO640高速攝像機：分辨率為1 920×1 020，采樣率為10 pps，曝光時間為2 000 μs，用于記錄過電流故障導(dǎo)線變化過程中的瞬間現(xiàn)象。

3)Carl Zeiss Observer A1m型金相顯微鏡：用于觀察過電流電弧熔斷痕橫截面的典型金相組織。

1.3 樣品制備

實驗場景示意如圖1所示。將2.5 mm2ZR-BV單芯銅線截成500 mm，剝?nèi)啥思s30 mm絕緣層，將導(dǎo)線連接至電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置，分別通過2.5Ie,3Ie,3.5Ie,4Ie,4.5Ie,5Ie,5.5Ie,6Ie的電流，每種電流條件下進行5次平行試驗，分別用1～5號表示。用高速影像捕捉過電流導(dǎo)線故障過程中的斷路電弧發(fā)生點，精確定位電弧熔斷痕的位置。

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 試驗結(jié)果

2.1 過電流導(dǎo)線電弧熔痕形成過程

當(dāng)導(dǎo)線通過電流I≤3.5Ie時，導(dǎo)線不會熔斷。通電后發(fā)生的變化依次為：導(dǎo)線發(fā)熱變紅、絕緣層熱解、發(fā)煙，導(dǎo)線通過3.5Ie時的變化過程如圖2所示。

圖2 3.5Ie過電流導(dǎo)線發(fā)熱變化過程Fig.2 Exothermic changing process of 3.5Ie over current wire

由圖2可知，隨電流值升高，過電流導(dǎo)線出現(xiàn)發(fā)煙現(xiàn)象及達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間變短，當(dāng)通過電流分別為2.5Ie，3Ie，3.5Ie時，導(dǎo)線從通過電流開始到出現(xiàn)發(fā)煙現(xiàn)象的平均時間分別為108.2,58.6,40.0 s，且在通電20 min內(nèi)，過電流導(dǎo)線均未發(fā)生熔斷現(xiàn)象，不同電流時導(dǎo)線熱解發(fā)煙及穩(wěn)定時間見表2～3。

當(dāng)導(dǎo)線通過電流4Ie≤I≤6Ie時，導(dǎo)線會發(fā)生熔斷，產(chǎn)生斷路電弧，并且伴隨著明顯的噴濺現(xiàn)象。實驗過程中導(dǎo)線依次出現(xiàn)發(fā)熱變紅、絕緣層熱解發(fā)煙、導(dǎo)線熔斷、產(chǎn)生斷路電弧、斷路電弧引燃周圍可燃熱分解氣體[11]、火焰從導(dǎo)線電弧熔斷點處向兩側(cè)蔓延等現(xiàn)象，導(dǎo)線通過6Ie電流時的發(fā)熱變化及熔斷過程如圖3所示，導(dǎo)線熔斷過程中的斷路電弧如圖4所示。

隨著電流值的升高，過電流導(dǎo)線從開始通電到發(fā)煙和熔斷的平均時間變短，當(dāng)I=4Ie時，其平均發(fā)煙和熔斷時間為27.0，65.6 s；當(dāng)I=4.5Ie時為21.0，47.2 s；當(dāng)I=5Ie時為15.6，35.2 s；當(dāng)I=5.5Ie時為11.4，24.8 s；當(dāng)I=6Ie時為10.2，21.6 s。通過不同電流時導(dǎo)線熱解發(fā)煙及熔斷時間見表4～5，其變化趨勢如圖5所示。

表2 2.5Ie～3.5Ie導(dǎo)線熱解發(fā)煙時間Table 2 Pyrolysis and smoke generation time of 2.5Ie～3.5Ie wire s

表3 2.5Ie～3.5Ie導(dǎo)線穩(wěn)定時間Table 3 Stability time of 2.5Ie～3.5Ie wire s

圖3 6Ie導(dǎo)線發(fā)熱變化及熔斷過程Fig.3 Exothermic changing and fusing processes of 6Ie wire

圖4 導(dǎo)線熔斷過程中的斷路電弧Fig.4 Open-circuit arc in fusing process of wire

通過對無絕緣層導(dǎo)線的高速影像分析可知，通過6Ie電流后，導(dǎo)線首先發(fā)熱變亮，之后導(dǎo)線熔斷，產(chǎn)生斷路電弧，隨后導(dǎo)線會在重力作用下出現(xiàn)二次折斷。因此，過電流故障導(dǎo)線在熔斷時會出現(xiàn)多個斷點，但僅有1處斷點是高溫電弧參與形成的，6Ie無絕緣層導(dǎo)線發(fā)熱及熔斷過程如圖6所示。

表4 4Ie～6Ie導(dǎo)線熱解發(fā)煙時間Table 4 Pyrolysis and smoke generation time of 4Ie～6Ie wire s

導(dǎo)線在發(fā)生過電流故障熔斷時，會形成電弧斷點熔痕、非電弧斷點熔痕、結(jié)疤熔痕和噴濺熔痕等多種形貌，如圖7所示。通過分析有絕緣層導(dǎo)線的高速影像發(fā)現(xiàn)，非電弧熔痕以及結(jié)疤熔痕均由后續(xù)火焰燃燒形成，在此過程中并無電弧參與作用，有絕緣導(dǎo)線熔斷及燃燒過程如圖8所示。

表5 4Ie～6Ie導(dǎo)線熔斷時間Table 5 Fusing time of 4Ie～6Ie wire s

圖5 不同電流時導(dǎo)線熱解發(fā)煙及熔斷時間Fig.5 Pyrolysis and smoke generation time and fusing time of wire under different currents

圖6 6Ie無絕緣層導(dǎo)線發(fā)熱及熔斷過程Fig.6 Exothermic and fusing processes of 6Ie wire without insulation layer

圖7 4.5Ie過電流導(dǎo)線典型熔痕宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of typical melting trace for 4.5Ie over current wire

圖8 PVC導(dǎo)線熔斷及燃燒過程Fig.8 Fusing and combustion processes of PVC wire

2.2 電弧斷點熔痕的分類及其宏觀特征

通過對發(fā)生熔斷的5個不同電流值共25根導(dǎo)線進行熔痕形狀的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，過電流電弧斷點熔痕共有5類典型的宏觀形貌，如圖9所示。電弧斷點熔痕宏觀形貌統(tǒng)計見表6。

圖9 各類電弧熔斷痕跡宏觀形貌Fig.9 Macroscopic morphology of melting trace for various arc

由表6可知，當(dāng)I=4Ie時，半珠狀熔痕出現(xiàn)的概率最大為50%；當(dāng)I=4.5Ie時，珠狀熔痕出現(xiàn)的概率最大為50%；當(dāng)I=5.5Ie時，尖狀和不規(guī)則狀熔痕出現(xiàn)的概率最大為30%；當(dāng)I=5.5Ie時，無發(fā)散狀熔痕出現(xiàn)；當(dāng)I=6Ie時，珠狀熔痕出現(xiàn)的概率最大為50%。

2.3 過電流斷路電弧所致熔痕的金相組織特征

在對不同電流值時各類電弧斷點熔痕的金相組織進行觀察發(fā)現(xiàn)，發(fā)散狀和尖狀斷點熔痕的金相組織中雖然均有枝晶偏析組織出現(xiàn)，但出現(xiàn)位置各異，不具有規(guī)律性，故此處重點對珠狀、半珠狀以及不規(guī)則狀斷點熔痕的金相組織進行分析。根據(jù)珠狀、半珠狀、不規(guī)則狀電弧斷點熔痕金相組織中晶粒大小、類型及所處位置的不同，可將其分為近電弧區(qū)(A區(qū))、向內(nèi)延伸區(qū)(B區(qū))、中心區(qū)(C區(qū))以及近本體區(qū)(D區(qū))4個不同的區(qū)域。

2.3.1 斷路電弧所致珠狀斷點熔痕金相組織特征

珠狀斷點熔痕如圖10所示。由圖10可知，4Ie過電流珠狀斷點熔痕A區(qū)晶粒以細小的卵形樹枝晶為主；B區(qū)晶粒以卵形樹枝狀晶粒和柱狀樹枝狀晶粒為主，晶粒較A區(qū)明顯長大，且枝晶臂生長方向多樣；C區(qū)呈更加明顯的枝晶偏析組織；D區(qū)晶粒類型與C區(qū)相似，但晶粒生長方向不具有明顯方向性，并且其與線芯本體存在明顯界限。

表6 電弧斷點熔痕宏觀形貌統(tǒng)計Table 6 Statistics on macroscopic morphology of melting trace for arc breakpoint

圖10 珠狀斷點熔痕金相組織Fig.10 Metallurgical structures of melting trace for bead breakpoint

相較于4Ie珠狀斷點熔痕的金相組織，6Ie熔痕內(nèi)枝晶偏析組織分布范圍明顯擴大，幾乎不再出現(xiàn)等軸狀組織。

2.3.2 斷路電弧所致半珠狀斷點熔痕金相組織特征

半珠狀斷點熔痕金相組織如圖11所示。由圖11可知，4Ie半球狀斷點熔痕中的A區(qū)分布少量細小的卵形樹枝狀晶粒，并且其與本體交匯處存在過渡區(qū)；B區(qū)晶粒多為明顯的枝晶偏析組織；C區(qū)呈更加明顯的枝晶偏析組織，晶粒較B區(qū)更加粗大；D區(qū)晶粒類型與B區(qū)相似，晶粒生長方向具有多樣性，且D區(qū)與線芯本體間存在一定的過渡區(qū)域，過渡區(qū)域晶粒大小與本體組織較為相近。

6Ie半珠狀熔痕金相組織的晶粒變化規(guī)律與4Ie時基本一致，但6Ie熔痕內(nèi)存在氣孔割裂組織生長的現(xiàn)象。此外6Ie半珠狀熔痕邊緣的縮松組織面積明顯大于4Ie時，且6Ie熔痕內(nèi)枝晶偏析組織分布范圍明顯擴大。

圖11 半珠狀斷點熔痕金相組織Fig.11 Metallurgical structures of melting trace for semi-bead breakpoint

2.3.3 斷路電弧所致不規(guī)則斷點熔痕金相組織特征

不規(guī)則斷點熔痕金相組織如圖12所示。由圖12可知，4Ie過電流珠狀不規(guī)則斷點熔痕A區(qū)的晶粒以枝晶偏析組織為主，晶粒間隙夾雜縮松[12]結(jié)構(gòu)；B區(qū)晶粒與A區(qū)晶粒類似，枝晶干生長方向多樣；C區(qū)呈更加明顯的枝晶偏析組織，晶粒生長無方向性；D區(qū)晶粒類型與C區(qū)相似，并與C區(qū)間無明顯分界線。

圖12 不規(guī)則斷點熔痕金相組織Fig.12 Metallurgical structures of melting trace for irregular breakpoint

相較于4Ie不規(guī)則斷點熔痕的金相組織，6Ie的C區(qū)與D區(qū)中均分布大量不規(guī)則孔洞，孔洞割裂晶粒組織生長現(xiàn)象極為明顯，并且其痕內(nèi)枝晶偏析組織分布范圍明顯擴大。

3 分析與討論

3.1 過電流故障導(dǎo)線斷路電弧形成過程的理論分析

在導(dǎo)線通電的過程中，導(dǎo)線線芯作為唯一的熱源，其產(chǎn)生的熱量不僅會使自身的溫度升高，還會使線芯外部的絕緣層以及周圍空氣的溫度升高[13-14]。在導(dǎo)線未達到平衡溫度時，單位長度上導(dǎo)線的導(dǎo)熱微分方程可表示為：

(1)

(2)

式中：Ta為室溫，℃；A，B為常數(shù)。當(dāng)通電時間趨于無窮大時，可求出導(dǎo)線的平衡溫度：

(3)

結(jié)合銅線芯的熱物性參數(shù)，將I=4Ie代入式(3)進行計算，發(fā)現(xiàn)此時平衡溫度遠大于銅的熔點。即I=4Ie時，由于銅線芯放出的熱量大于向絕緣層和空氣散失的熱量，其溫度會不斷升高，最終銅線芯溫度會超過自身熔點發(fā)生熔斷，使回路斷開，產(chǎn)生斷路電弧。

3.2 過電流電弧熔痕宏觀特征形成原因分析

美國的火災(zāi)和爆炸事故調(diào)查指南(NFPA 921)中將過電流故障熔痕和火燒熔痕統(tǒng)稱為Globules，即非電弧熔痕。本文通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過電流導(dǎo)線通過電流I≥4Ie發(fā)生熔斷時，導(dǎo)線線芯的溫度接近、甚至超過銅的熔點，故在其熔斷時，線芯整體已經(jīng)出現(xiàn)軟化甚至液化現(xiàn)象，其與短路熔痕產(chǎn)生時所受到的單點、局部熱作用差異很大。而火燒熔痕形成時，熔痕及熔痕周邊的熔化區(qū)也會在火焰作用下出現(xiàn)軟化甚至液化，其與過電流故障熔痕形成時大面積導(dǎo)體軟化、液化的現(xiàn)象類似，所以過電流故障電弧熔痕與火燒熔痕十分類似。

但是過電流電弧斷點熔痕在形成過程中還會產(chǎn)生斷路電弧，斷路電弧會急速加熱周圍的氣體，形成沖擊波，使熔化的液態(tài)金屬向四處飛濺，因此電弧斷點熔痕會出現(xiàn)與火燒熔痕不同的發(fā)散狀斷點熔痕。

3.3 過電流電弧熔痕枝晶偏析組織出現(xiàn)原因分析

枝晶偏析是指由于晶體優(yōu)先沿過冷度較大的方向生長，而使固溶體晶粒內(nèi)部出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

當(dāng)線芯吸收斷路電弧釋放出的熱量后，固態(tài)金屬溫度升高，銅原子振動能量增加，振動頻率及振幅增大。當(dāng)原子吸熱后獲得動能大于原子結(jié)合額鍵能時，原子便會越過之前的勢壘，進入新的勢阱中。原子重新進入新的平衡位置，改變晶格常數(shù)，晶體體積增大。當(dāng)自身能量超過鍵能的原子數(shù)量足夠時，晶界處的原子率先脫離晶粒表面進入相鄰晶粒，晶粒不能繼續(xù)保持原有形態(tài)，發(fā)生相對流動，固態(tài)金屬發(fā)生熔化。

當(dāng)金屬發(fā)生熔化后，在空氣對流冷卻作用下，液態(tài)金屬溫度以較快的速度降低到金屬的熔點Tm，形成固-液界面，界面向液相推移，發(fā)生凝固。由于固-液界面前方的液態(tài)金屬溫度低于界面溫度Ti，液相中的溫度梯度Gl<0。則固-液界面前局部液相溫度為：

Ti(x)=Ti-|Gl|x

(4)

過冷度為：

ΔTl=Tm-Tl(x)=Tm-Tl+|Gl|x=ΔTi+|Gl|x

(5)

式中：Tm為金屬熔點，K；Gl為液相中的溫度梯度，K/m;x為與固-液界面之間的距離，m。

由式(4)可知，離固-液界面距離越遠的液態(tài)金屬過冷度越大，而樹枝狀晶粒沿負溫度梯度生長[15]。因此，在此熱過冷度較大的條件下，熔痕金相組織的晶粒主要以枝晶偏析組織為主。

4 結(jié)論

1)當(dāng)I≥4Ie時，過電流導(dǎo)線會發(fā)生熔斷，斷路電弧將引燃熱分解后的絕緣熱解氣體，形成導(dǎo)線整體的燃燒；而當(dāng)I≤3.5Ie時，導(dǎo)線僅線芯發(fā)熱，不會熔斷，二者引發(fā)火災(zāi)的形式不同。

2)過電流導(dǎo)線電弧熔斷痕與火燒熔痕的宏觀特征較為相似，但噴濺熔痕和發(fā)散狀熔痕是過電流導(dǎo)線所特有的，此為現(xiàn)場判斷發(fā)生過電流故障的關(guān)鍵痕跡之一。

3)枝晶偏析組織是過電流電弧熔斷痕的典型組織，并且隨著電流值的升高，熔痕內(nèi)呈枝晶偏析組織分布的范圍明顯擴大，幾乎不再出現(xiàn)等軸狀組織。