单股铜导线二次短路熔珠孔洞特征研究

 摘 要：近年来，随着人们生活水平不断提高，用电量大幅攀升，电气火灾的发生率不断提高，导线短路故障是主要因素，二次短路时火灾后形成的，对起火原因没有证明作用，但在实际火灾调查过程中，较难与一次短路区分。为考查铜导线二次短路熔珠孔洞的特征和规律，本文利用金相显微镜对模拟火灾现场条件下制备的铜导线二次短路熔珠进行了观察，使用Image Pro Plus(IPP)和SPSS软件对铜导线二次短路熔珠孔洞的直径、面积和面积分布密度进行了分析。实验结果显示，铜导线二次短路熔珠孔洞宏观特征是大而多，且形状不规则，分布不均匀；在二次短路熔珠孔洞中，直径大于90 μm占52.671% ；面积大于6000μm²大占总数的57.733%，特别是面积大于30000 μm²的占总数的14.339%。面积分布密度集中在0.025～0.30之间。分析熔珠孔洞特征和基本规律，为火灾调查人员区分二次短路熔珠、一次短路和火烧熔珠有一定的借鉴意义。

关键词 铜导线；二次短路熔珠；金相观察；孔洞特征

Study of secondary short circuit holes’ character of single strand copper wire

Abstract: In recent years, with the development of people's living standard and the increase of power consumption, the rate of electrical fire occurrence arises year by year. Secondary short circuited melted beads of copper wire are formed due to fire and are often found in fire scenes.Therefore, it is necessary to study the copper conductors secondary short-circuit melted beads. To study the characteristics and laws of the secondary short-circuit test of copper wire melted bead holes, in this paper, optical microscope is observed by manufacture copper wire secondary short-circuit fusible beads under fire field conditions.The diameter, area and size distribution density are used by the Image Pro Plus (IPP) and SPSS to analysis. The result of the experiment showed that the copper wire secondary short-circuit beads macroscopic characteristics are large and much, irregular shape, uneven distribution. In the secondary short circuit holes , diameter of holes D ＞90 μm is 52.671% of total; area lager than 6000 μm²are 57.733%, particularly area lager than 30000 μm² are 14.339% in total areas. When area ratio between holes and cross-section of melted-bead is 0.025～0.30. Therefore, analysis of pore characteristics and the basic law of a melted bead holes, to help fire investigator distinguish secondary short-circuit fusible beads with the first short circuit and fire melted bead has a certain significance.

Keyword copper wire; secondary short circuit melted beads; metallographic observation; hole characteristics
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 实验材料 3
2.1.2 实验设备 3
2.2 实验过程 3
2.2.1单股铜导线二次短路熔珠的制备 3
2.2.2 二次短路熔珠金相试样的制备 3
2.2.3 二次短路熔珠试样的金相观察和照相 4
2.2.4 二次短路熔珠试样的统计分析方法 4
3 实验结果 5
3.1二次短路熔珠孔洞形貌特征及分布规律 5
3.2 二次短路熔珠孔洞直径统计分析 6
3.3 二次短路熔珠孔洞面积统计分析 9
3.4 二次短路熔珠孔洞面积分布密度 12
3.5 误差分析 13
4 结论 15
参考文献 16
致 谢 18

1 前言

火灾统计显示，社会越发展，电气化程度越高，发生电气火灾的可能性就越大。2011年，全国共发生火灾12.5万起（不含森林、草原、军队、地下矿井部分及港澳台地区），死亡1108人，受伤571人，直接财产损失20.6亿元，与2010年相比，除财产损失上升5%外，发生火灾起数下降5.3%，死亡人数下降8%，受伤人数下降8.3%[1]。按照起火原因分类，2011年电气火灾37960起，但是占全年火灾起数的30.3%，直接损失84484.1万元，死亡405人[2]。因此，预防和控制电气火灾的发生是当前消防工作的重点。同时，人们的法律观念普遍增强，使得火灾原因认定结果的准确性受到普遍重视[3]。
在电气火灾统计中，电气线路故障发生的次数占总数的一半以上，因此，研究电气线路故障是很重要的。电气线路故障主要分为线路短路和接触不良。其中，短路是指电气线路中的不同相或不同电位的两根或两根以上的导线不经负载直接接触而发生的一种故障。短路时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产生电弧或火花。电弧温度可达几千摄氏度以上，在极短的时间内释放出大量的热量，不但可使金属熔化，引燃本身的绝缘材料，还可以将导线附近的可燃材料、粉尘引燃造成火灾或爆炸事故。在火灾调查中，根据短路发生的时间，将短路分为一次短路和二次短路两种[4]。
由于短路电弧的温度可达几千度以上，远高于常用的金属导线的熔点（铜的熔点为1083 ℃，铝的熔点为660 ℃），因此，强烈的电弧高温作用可使导线局部迅速熔化、气化，甚至造成导线金属熔滴的飞溅，从而产生熔化痕迹[5]。短路熔珠是短路痕迹最常见的一种。短路熔珠是指短路瞬间导线被熔断后留在熔断导线端头的球状熔痕。短路熔珠的形成于短路电流大小、接触程度、短路时间长短等多种因素有关。发生短路不一定都能形成熔珠，尤其是在发生短路的两根导线上或断开的导线两端都形成熔珠的可能性更小。一般情况下是在一根导线或导线的一端形成熔珠，另一根导线或导线的另一端仅形成熔痕。短路所形成的熔珠可能处于导线端部的正前方[6]，也可能偏在导线的一侧。
建筑内的导线都有绝缘层，因而不同相或不同电位的导线要想直接接触发生短路，首先绝缘层要被破坏，这种破坏可能是绝缘材料在自然环境中长时间受风吹、日晒、雨淋等原因所致，还有可能是在火焰或高温的作用下烘烤所致。绝缘破坏也可能是绝缘强度不够，投入运行后遭电流击穿；还有可能是由于线路过电压，遭受雷击以及维护不周等原因造成的。绝缘破坏的时间不同，短路发生的时间就不同，形成的短路种类也不同，与火灾原因的关系也不同。准确鉴别短路发生的时间，即判定短路痕迹是一次短路还是二次短路痕迹，对查明火灾原因，认定火灾责任有重要的意义[7]。
在短路熔痕中，一次短路熔珠产生在火灾前，周围是洁净的空气，因而表面无烟熏火烟熏较轻；二次短路产生时，周围环境为火灾环境，存在大量烟尘，烟尘附着在高温的熔珠上，使熔珠表面烟熏严重。二次短路熔珠内部有孔洞，孔洞数量多且分布在熔痕的边缘及中部。铜导线融珠孔洞内表面呈透明感的鲜红色，光泽度强，有较多的碳迹。同时，复杂的火场环境持续作用于二次珠熔，使其内部缩孔形状也不规则[9]。准确判定短路熔珠是一次短路熔珠还是二次短路熔珠，对查明火灾原因，核定火灾损失，认定火灾责任有很重要的意义。
从现有的文献资料看，我国对电气火灾原因技术鉴定方法已有较系统的研究[10]。目前，公安部沈阳消防科学研究所提出的具有代表性的鉴定技术方法主要有6种，即宏观法、成分分析法、剩磁法、金相法、微观形貌法和模拟试验法，并已编制成相关国家标准[11]。国内外对电气火灾原因以及各种导线熔痕的分析都有大量的研究[12~14]，但不少研究认为火场中的熔珠之间没有本质上的区别，与火灾原因也没有必然的联系[15]。
电气火灾痕迹的技术鉴定研究和实践表明，对火灾中金属导线熔珠的研究主要为宏观分析和金相显微分析，而直接对二次短路熔珠的孔洞研究还较少。本文通过模拟火灾现场，利用金相显微镜观察在相同条件下单股铜导线二次短路熔珠的孔洞特征，并对孔洞的一般规律进行了研究，为电气火灾中火灾原因的认定提供参考依据。