单股铜导线二次短路熔痕过渡区特征及其影响因素研究

 摘 要：铜导线发生二次短路是电气火灾的直接致灾原因之一，其熔化痕迹在火灾中能够保留完好，对判断火灾的形成原因有非常大的帮助。本实验利用火灾痕迹物证实验台，在导线规格、受热时间、短路电压、接触方式等不同的条件下制备铜导线的二次短路熔痕，再通过金相显微镜观察其过渡区的金相组织，从而考察导线规格、受热时间、短路电压、接触方式等对铜导线二次短路熔痕过渡区的影响。实验结果表明，随着短路电压的增加，过渡区的宽度先变窄后变宽；受热时间越长，导线规格越大，接粗方式由交叉变为缠绕，过渡区的宽度越宽。为了准确地反映火灾现场的真实情况，在短路熔珠的鉴定过程中，应尽量参考更多的线索，将熔痕的过渡区考虑在内，从而更准确地完成物证鉴定工作，并为认定起火原因提供依据。

关键词 铜导线； 二次短路； 金相组织； 过渡区

Analysis on the Characters and Influencing Factors of the Transition Region of the Single Copper Wire Second Short Circuit Melted Traces

Abstract: The copper wire second short circuit is one of the direct electrical fire hazard reasons, whose melted traces can be preserved in the fire development,which can provide much help to judge the causes of the fire.The integrated experimental station for fire trace material evidence was used to make copper wire second short circuit melted traces by simulating different conditions,such as wire size, heating time, short circuit voltage, contact way.And meanwhile,the metallographic form of the transition region was observed by metallurgical microscope, which studyed how wire size, heating time, short circuit voltage,the contact way affected the transition region of the single copper wire second short circuit melted traces. Experimental results show that while short circuit voltage increase,the width of the transition region turn narrower first and get wider afterwards；While the heating time get longer,the wire size larger,the cross contact way turn into wound around,the width will get wider. In order to accurately reflect the real situation of the scene of the fire,much clues should be taken in the consideration,such as the transition zone of the melted traces,so that we can finish material evidence indentification work more accurately and provide reference evidence to identified the cause of the fire.

Keywords copper wire; second short circuit; metallographic form; transition region

目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III

1 前言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 研究内容及技术路线 3
2 实验部分 4
2.1 主要仪器设备 4
2.2 实验材料 4
2.3 实验过程 4
2.3.1 铜导线二次短路熔痕的制备及处理 4
2.3.2 金相试样的制备 4
2.3.3 实验样品的金相组织的观察和记录 4
2.3.4 实验样品的金相组织的图像处理和分析 4
3 实验结果 4
3.1 铜导线二次短路熔痕过渡区的范围界定 4
3.2 铜导线二次短路熔痕过渡区的定量与定性分析 4
3.2.1 短路电压 4
3.2.2 导线的横截面积 4
3.2.3 短路后的受热时间 4
3.2.4 导线的接触方式 4
4 结果分析与讨论 18
4.1 短路电压 18
4.2 导线的横截面积 18
4.3 短路后的受热时间 19
4.4 导线的接触方式 19
5 结论 20

参考文献 21
致谢 22
附录 定量金相数据 23

1 前言

1.1 选题背景及意义
随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，电器的种类和用电范围在不断扩大，用电量也在逐年提高。同时，因为电气原因引发的火灾也居高不下。最近十年，电气火灾大约占火灾发生总数的三分之一，据公安部消防局统计，2000-2007年，全国共发生建筑电气火灾19.7万起，占同期公安消防部门统计火灾总数的28.23%[1-4]。国家和社会对于火灾一直非常重视，确定每一起火灾的发生原因非常必要。
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[5]。从两类致灾原因的特点分析，电气线路故障引发的火灾具有发生频率高、潜伏时期长、痕迹隐蔽强、调查难度大等特点。
众所周知，火灾现场往往破坏严重，火灾证据易于毁坏，给调查起火原因带来很大困难，有些火灾甚至成为永远也解不开的谜团。对于电气火灾而言，如果能正确理解火灾中铜导线熔痕的微观组织的形成机理，对于揭示电气火灾的形成原因有非常大的帮助。
1.2 国内外研究现状
电气火灾现场残留物的鉴定结论是电气火灾原因认定和排除的重要证据[6]，而电气火灾现场残留物多以导线熔痕的形式出现，GB16840《电气火灾原因技术鉴定方法》中从导线熔痕形成的原因出发，将其主要划分为三大类[7]：
（1）一次短路熔痕：在正常环境条件下，铜、铝导线因本身故障发生短路，在导线上形成的熔化痕迹；
（2）二次短路熔痕：在火灾环境条件下，铜、铝导线产生故障而引发的短路，在导线上形成的熔化痕迹；
（3）火烧熔痕：铜、铝导线在火灾中受火灾现场高温作用发生熔化，在导线上形成的熔化痕迹。
从三种熔痕的定义中可以看出，三种熔痕的发生时间点不同，一次短路熔痕往往发生在火灾前，而二次短路熔痕和火烧熔痕发生在火灾发生后，因此三种熔痕对于电气火灾原因的认定结论的证明作用也大不相同 [8]。目前我国的电气火灾物证的鉴定，多为鉴定电气线路熔痕类型，为调查火灾原因提供有力证据。按照GB16840《电气火灾原因技术鉴定方法》中的内容，常用的鉴定方法主要包括宏观法、成分分析法、剩磁法和金相法，而金相法是其中最为重要的鉴别导线熔痕类型的方法，也是现在我国研究较为成熟的鉴定方法，因此得到了广泛的应用。大多数的专业鉴定人员都是使用GB16840《电气火灾原因技术鉴定方法》中的金相法，同时结合其他相应的方法和多年的鉴定经验，对送检的导线熔痕进行认定的。
目前，我国对金相分析方法进行了深入研究并形成了相关国家标准，标准中对火烧熔痕一次短路熔痕和二次短路熔痕之间的金相显微组织做出了区别的定性描述，金相法的鉴别依据是这么规定的[7]：
（1）火烧熔痕：火烧熔痕的金相组织呈现粗大的等轴晶，无孔洞，个别熔珠磨面有极少缩孔；
（2）一次短路熔痕与二次短路熔痕区别：①一次短路熔痕的金相组织呈细小的胞状晶或柱状晶；二次短路熔痕的金相组织被很多气孔分割，出现较多粗大的柱状晶或粗大晶界。②一次短路熔珠金相磨面内部气孔小而较少，并较整齐；二次短路熔珠金相磨面内部气孔多而大，且不规整。③一次短路熔珠与导线衔接处的过渡区界限明显；二次短路熔珠与导线衔接处的过渡区界限不太明显。④一次短路熔珠晶界较细，孔洞周围的铜和氧化亚铜共晶体较少、不太明显；二次短路熔珠晶界较粗大，孔洞周围的铜和氧化亚铜共晶体较多，而且较明显。⑤在偏光下观察时，一次短路熔珠孔洞周围及洞壁的颜色不明显；二次短路熔珠孔洞周围及洞壁呈鲜红色、桔红色。
二次短路熔痕与相连导线有时有微小的熔化过渡区。在卫广昭、曹建旺、于进江在《金相分析技术在电气火因鉴定中的应用》对铜导线二次短路熔痕过渡区的显微组织特征的观察如下[8]：
二次短路除了短路点处于高温状态下，在短路点附近的温度也比较高， 所以它的过渡区不太明显。如果在火灾现场继续受高温的作用，过渡区的界限会变得更加模糊不清和紊乱; 虽然逸出的气体相对较多,但在火灾中存在着大量的灰尘、杂质、水蒸气和各种燃烧物也将同时进入铜的溶液中,所以就形成了较多的大孔洞,这样它的孔洞表面的凝固速率不同,孔洞表面微区出现温差,则那些温度较高、 高温延时较长的区域氧化膜厚,生成的Cu2O膜呈现红色或桔红色。
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。
国外许多国家在铜导线熔痕认定方面形成了自己的特点：日本对一次短路熔痕和二次短路熔痕进行了外观形貌特征、金相组织、微观形貌等进行了特征比较观察，得出了一系列有价值的结论;日本学者Eui- Py eo ng 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型碳，而二次短路的导线熔痕内部仅含有不定型碳。
纵观许多相关文献，多数相关科研人员对导线的二次短路熔痕铜导线短路熔痕微观形貌特征分析，无论是在技术上还是在研究的深度与广度上都取得了很大的进展，而对熔痕过渡区特征的研究却比较少，虽然对其特征有了一定的研究和认识，但仅仅停留在其微观组织特征的描述上，而对其影响因素的分析却缺乏对各种影响因素进行定量分析、深入研究。
1.3 研究内容及技术路线
本文主要研究单股铜导线二次短路熔痕过渡区特征及其影响因素，解读在导线规格、受热时间、短路电压、接触方式等不同的条件下对二次短路熔痕过渡区特征形成的影响规律。该实验研究可以为揭示不同的火场条件下二次短路熔痕过渡区形成的特征提供实验数据，为火灾调查人员在火灾调查中判断火场特征，认定火灾原因提供科学、准确的鉴定依据。具体实验过程如图1.1所示。