過(guò)負(fù)荷電流對(duì)銅導(dǎo)線斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的影響

王晶晶

(安徽省阜陽(yáng)市消防救援支隊(duì),阜陽(yáng) 23600)

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各類(lèi)電氣產(chǎn)品層出不窮，人們生產(chǎn)和生活用電量大幅增加，由于用電不慎等原因造成火災(zāi)事故易發(fā)多發(fā)。我國(guó)由電氣引發(fā)的火災(zāi)及其所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失一直居于高位，重特大火災(zāi)時(shí)有發(fā)生。吉林省吉林市琿春街商業(yè)大廈火災(zāi)造成19人死亡、26人受傷，起火原因?yàn)殡姎饩€路老化引發(fā)火災(zāi)。2012年天津薊縣萊德商廈火災(zāi)，致10人死亡、16人受傷，該起火災(zāi)是由空調(diào)電源線短路引燃周?chē)扇嘉锼?。在電氣火?zāi)中電氣線路故障引起的火災(zāi)是電氣火災(zāi)最主要的原因。電氣線路過(guò)負(fù)荷作用范圍大、時(shí)間長(zhǎng)，因此電氣線路過(guò)負(fù)荷又是電氣線路故障中最危險(xiǎn)的一類(lèi)火災(zāi)原因[1]。

目前對(duì)電氣火災(zāi)的熔痕鑒定方法主要有宏觀分析、金相分析、成分分析、剩磁分析、微觀分析等[2]，但是將力學(xué)性能測(cè)試應(yīng)用到電氣火災(zāi)痕跡物證鑒定中的還較少。筆者采用掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口收縮率進(jìn)行分析，采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)斷后伸長(zhǎng)率進(jìn)行分析，并分別與過(guò)負(fù)荷電流建立量化關(guān)系，從而更精確地判斷銅導(dǎo)線是否過(guò)負(fù)荷以及過(guò)負(fù)荷程度，進(jìn)而豐富火災(zāi)調(diào)查技術(shù)的理論，拓展研究火災(zāi)痕跡的方法，為火災(zāi)調(diào)查提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 儀器和材料

試驗(yàn)設(shè)備為北京中科科儀公司的KYKY2800B型掃描電鏡(SEM)，分辨率是6 nm(鎢絲)，放大倍數(shù)為15～250 000倍，加速電壓為0～30 kV；火災(zāi)痕跡物證綜合試驗(yàn)臺(tái)，頻率50 Hz，輸出電壓380 V；XWW-10型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)速度為0.1～500 mm·min-1，最大試驗(yàn)載荷為10 kN。

試驗(yàn)材料為φ2.5 mm單股銅導(dǎo)線。

1.2 試驗(yàn)方法

將長(zhǎng)為50 cm的單股銅導(dǎo)線接入火災(zāi)痕跡物證綜合試驗(yàn)臺(tái)，在20～25 ℃室溫下，分別通以1、2、3、4倍的額定電流(Ie)，并分別持續(xù)5、10、15、20 min后斷電，采用在空氣中自然冷卻的方式進(jìn)行冷卻。利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并利用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察，對(duì)斷口面積進(jìn)行測(cè)量，運(yùn)用SPSS軟件實(shí)現(xiàn)回歸分析[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 斷后伸長(zhǎng)率測(cè)定與分析

將斷開(kāi)的試樣兩端斷口緊密地對(duì)接在一起，用直尺測(cè)量試樣標(biāo)記部分的斷后長(zhǎng)度，并計(jì)算試樣的斷后伸長(zhǎng)率。

當(dāng)電流的熱作用較弱時(shí)，通過(guò)銅線芯的溫度小于銅的再結(jié)晶溫度(200 ℃)，晶粒大小不會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)銅線芯的溫度等于或大于其再結(jié)晶溫度時(shí)，其微觀結(jié)構(gòu)才會(huì)發(fā)生改變，因而在過(guò)負(fù)荷電流的高溫作用下，導(dǎo)線發(fā)生再結(jié)晶，并且晶粒逐漸長(zhǎng)大。銅導(dǎo)線在不同額定電流下的溫度如表1所示[4]。銅導(dǎo)線在1倍額定電流下，組織無(wú)變化；在2倍額定電流下，部分再結(jié)晶，但晶粒細(xì)??；在3倍額定電流下，晶粒變得粗大[5-6]。晶粒粗化，材料的塑性和韌性也會(huì)減弱。這是因?yàn)樵谙嗤耐饬ψ饔孟拢执缶Я５膬?nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較大，變形不均勻，相對(duì)來(lái)說(shuō)，因應(yīng)力集中引起開(kāi)裂的機(jī)會(huì)也較大，斷后伸長(zhǎng)率較小。由于晶粒越大，金屬中的裂紋容易產(chǎn)生并且容易傳播，因而在斷裂過(guò)程中吸收了較少的能量，即表現(xiàn)出較低的韌性。

表1 銅導(dǎo)線在不同額定電流時(shí)的溫度Tab.1 Temperatures of copper conductor at different rated currents ℃

不同大小的過(guò)負(fù)荷電流及通電時(shí)間對(duì)銅導(dǎo)線斷后伸長(zhǎng)率的影響如圖1所示，可見(jiàn)在相同過(guò)負(fù)荷時(shí)間內(nèi)，斷后伸長(zhǎng)率隨著過(guò)負(fù)荷電流的增大而下降，與正常通電時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率相比，過(guò)負(fù)荷電流為2倍額定電流時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率明顯下降，但下降的幅度較?。贿^(guò)負(fù)荷電流為3倍額定電流時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率迅速下降，下降幅度較大；過(guò)負(fù)荷電流為4倍額定電流時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率持續(xù)下降，但下降幅度有所減小。同一規(guī)格銅導(dǎo)線，在不同通電時(shí)間內(nèi)，隨著過(guò)負(fù)荷電流的增大，斷后伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)略有不同，通電時(shí)間越長(zhǎng)，斷后伸長(zhǎng)率隨過(guò)負(fù)荷電流增大而下降的幅度越大，下降幅度按通電時(shí)間從大到小依次為20 min、15 min、10 min、5 min。

圖1 不同大小的過(guò)負(fù)荷電流及通電時(shí)間對(duì)銅導(dǎo)線斷后伸長(zhǎng)率的影響Fig.1 Influence of different overload currents and power on time on elongation after fracture for copper conductor

將銅導(dǎo)線的斷后伸長(zhǎng)率與過(guò)負(fù)荷電流進(jìn)行擬合，以通電15 min為例，發(fā)現(xiàn)二者的關(guān)系接近線性模型，擬合曲線如圖2所示。斷后伸長(zhǎng)率對(duì)額定電流的回歸方程式為

圖2 銅導(dǎo)線斷后伸長(zhǎng)率與電流的擬合曲線Fig.2 The fitting curve of elongation after fracture of copper conductor and current

y=34.105-2.845x(R2=0.909)

(1)

2.2 斷面收縮率測(cè)定與分析

將斷口在掃描電鏡下放大100×的圖片導(dǎo)入SemImage3.0軟件。利用該軟件中的劃線工具圈定斷口，圈定后進(jìn)行二值分割，然后選定“粒度分析”功能，軟件會(huì)自動(dòng)測(cè)定斷口的面積。

不同大小的過(guò)負(fù)荷電流及通電時(shí)間對(duì)銅導(dǎo)線斷面收縮率的影響如圖3所示?？梢?jiàn)隨著額定電流增大，銅導(dǎo)線的塑性和韌性會(huì)減弱，因此斷面收縮率也會(huì)較小。同一規(guī)格銅導(dǎo)線，在相同通電時(shí)間內(nèi)，隨著過(guò)負(fù)荷電流的增大，斷面收縮率呈下降的趨勢(shì)；當(dāng)過(guò)負(fù)荷電流小于或等于2倍額定電流時(shí)，斷面收縮率略有下降，下降幅度較??；當(dāng)過(guò)負(fù)荷電流大于2倍額定電流時(shí)，斷面收縮率與過(guò)負(fù)荷電流之間的曲線斜率增大，斷面收縮率急劇下降，且過(guò)負(fù)荷電流越大，斷面收縮率下降的幅度越大。同一規(guī)格銅導(dǎo)線，在不同通電時(shí)間內(nèi)，隨過(guò)負(fù)荷電流增大，斷面收縮率的變化趨勢(shì)略有不同。通電時(shí)間越長(zhǎng)，斷面收縮率隨過(guò)負(fù)荷電流增大而下降幅度越大，按從大到小的順序依次為20 min、15 min、10 min、5 min。

圖3 不同大小的過(guò)負(fù)荷電流及通電時(shí)間對(duì)銅導(dǎo)線斷面收縮率的影響Fig.3 Influence of different overload currents and power on time on percentage reduction of area for copper conductor

將斷面收縮率與額定電流進(jìn)行擬合，以通電15 min為例，發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系接近二次多項(xiàng)式模型，擬合曲線如圖4所示。斷面收縮率對(duì)額定電流的回歸方程式為

圖4 銅導(dǎo)線斷面收縮率與電流的擬合曲線Fig.4 The fitting curve of percentage reduction of area of copper conductor and current

y=94.330-0.865x(R2=0.977)

(2)

3 結(jié)論

(1)銅導(dǎo)線的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率隨著額定電流的增大而下降。

(2)在相同額定電流下，銅導(dǎo)線的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率隨通電時(shí)間延長(zhǎng)而下降。

(3)通電時(shí)間對(duì)銅導(dǎo)線力學(xué)性能的影響小于電流大小對(duì)銅導(dǎo)線力學(xué)性能的影響。