電氣火災(zāi)中導(dǎo)線熔痕的宏微觀特征

徐 娜，李恩霞，時(shí)軍波，李永德，郭衛(wèi)民，顏國(guó)剛

（山東省科學(xué)院山東省分析測(cè)試中心，山東省材料失效分析與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南250014）

0 引 言

電氣火災(zāi)原因的鑒定是消防、保險(xiǎn)等機(jī)構(gòu)非常關(guān)注并且長(zhǎng)期研究的課題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近20a來，我國(guó)人均用電量翻了近一番，電氣化程度日益提高，由電氣故障引發(fā)的火災(zāi)也呈逐年上升的趨勢(shì)，電氣火災(zāi)年均發(fā)生次數(shù)占總火災(zāi)次數(shù)的28%。電氣火災(zāi)發(fā)生的原因一方面是由電器設(shè)備或?qū)Ь€過載、線路老化使絕緣破損或某些電氣工程違規(guī)安裝、布線混亂等原因造成的，另一方面，電氣設(shè)備在高溫作用下，電氣絕緣遭到破壞，造成帶電線路發(fā)生短路而誘發(fā)電氣火災(zāi)［1-3］。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查中，調(diào)查人員常常能夠提取到有熔痕的電氣線路的殘留物，通過分析這些熔痕的形成過程和機(jī)理，能為認(rèn)定電氣火災(zāi)的原因提供證據(jù)［4］。

作者根據(jù)近年來分析的多起電氣火災(zāi)事故，分析歸納了火燒熔痕、短路熔痕和過負(fù)荷熔痕的宏、微觀特征，為認(rèn)定電氣火災(zāi)原因提供了客觀、科學(xué)的依據(jù)。

1 不同熔痕的宏觀特征

1.1 火燒熔痕

火燒熔痕是指由外界火焰所燒而形成的金屬熔化痕跡?；馃酆坌纬傻娜壑檩^大，銅導(dǎo)線熔珠的直徑通常為其線徑的1～3倍，鋁導(dǎo)線熔珠的直徑通常為其線徑的1～4倍；有的熔珠凝結(jié)在導(dǎo)線端部，有的凝結(jié)在導(dǎo)線中部，其表面光滑，無麻點(diǎn)和小坑，具有金屬光澤；而且熔化的范圍大，熔化區(qū)和非熔化區(qū)無明顯界線，導(dǎo)線與熔珠之間有變細(xì)過渡跡象；在整根導(dǎo)線上有若干部位因熔化而變細(xì)，亦有若干部位因熔化積聚而變粗，無固定形狀的熔化痕跡。在銅質(zhì)多股軟線的線端部形成熔珠或尖狀熔痕，熔痕附近的細(xì)銅線熔化并粘結(jié)在一起，很難分開；在熔珠內(nèi)有未被完全熔化合并的間隙孔。

1.2 短路熔痕

短路熔痕形成的熔珠較小，一般出現(xiàn)在導(dǎo)線的端部，有的也在導(dǎo)線中部形成凹坑狀熔痕；銅熔珠表面有光澤，鋁熔珠表面無光澤，有氧化膜、麻點(diǎn)和毛刺且比較粗糙；在短路點(diǎn)處形成了明顯的熔化痕跡，而在整根導(dǎo)線的其它部位沒有熔化現(xiàn)象。銅導(dǎo)線上的短路熔珠直徑通常為其線徑的1～2倍，鋁導(dǎo)線上的短路熔珠直徑通常為其線徑的1～3倍；短路熔珠位于導(dǎo)線的端部或歪在一側(cè)。

一次短路一般僅有一個(gè)短路點(diǎn)，其熔珠一般沒有煙霧熏痕；一次短路熔痕由于周圍環(huán)境溫度低，又在瞬間完成，所以留在端頭的熔珠較小，熔珠具有金屬光澤并且有孔洞；熔融銅和非熔化部分有明顯的分界線，不存在逐步變形的過渡區(qū)域，而且沒有銅熔融形成的結(jié)疤。除熔化部分外，短路其它部分無變化，更無明顯的線芯直徑變化現(xiàn)象。在銅質(zhì)多股軟線的線端部形成熔痕時(shí)，熔痕與導(dǎo)線連接處無熔化粘結(jié)痕跡，其多股細(xì)絲仍能逐根分離，有的細(xì)絲端部出現(xiàn)微小熔珠。一次短路的氣孔內(nèi)壁略顯光滑，呈細(xì)鱗片狀，氣孔小且少。

二次短路可在多處留下短路痕跡，且有煙熏黑痕；鋁線短路熔珠表面上有少量的灰色氧化鋁，熔珠的個(gè)別部位有塌凹現(xiàn)象；熔融銅與非熔化部分界面不明顯，熔珠和導(dǎo)線間有熔化過渡跡象，導(dǎo)線上有微熔變細(xì)的痕跡。其熔珠比一次短路的熔珠稍大，并且可出現(xiàn)導(dǎo)線結(jié)疤現(xiàn)象。在銅質(zhì)多股軟線的端部形成短路熔珠時(shí)，與短路熔珠相連接的導(dǎo)線變硬或粘結(jié)在一起。二次短路熔珠的氣孔內(nèi)壁相當(dāng)粗糙，呈鱗片狀，氣孔大且多［5］。

1.3 過負(fù)荷熔痕

所謂過負(fù)荷是指當(dāng)導(dǎo)線中通過的電流超過了安全載流量時(shí)，導(dǎo)線的溫度不斷升高，加快了導(dǎo)線絕緣層老化變質(zhì)。線路過負(fù)荷火災(zāi)的最基本特征是過負(fù)荷電流形成的高溫作用于所有通過電流的線路，而短路、接觸不良、漏電的高溫主要集中在故障局部。因此，過負(fù)荷形成的痕跡出現(xiàn)在全線路中［6］。當(dāng)嚴(yán)重過負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)線的溫度會(huì)不斷升高，同時(shí)時(shí)間又長(zhǎng)，使導(dǎo)線變紅，表面發(fā)生氧化反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到或超過導(dǎo)線的熔點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)線開始熔化，所以有時(shí)整根導(dǎo)線會(huì)發(fā)生變形和結(jié)痕現(xiàn)象，表面粗糙且分布均勻。

2 不同熔痕的微觀特征

不同類型火災(zāi)下的導(dǎo)線在微觀特征上的不同主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即微觀孔洞和晶粒上。銅在熔化時(shí)，由于空氣的存在，會(huì)在熔珠內(nèi)部生成孔洞，空氣中的氧也會(huì)被銅吸收同時(shí)與之發(fā)生反應(yīng)，形成氧化亞銅并溶解于銅中，凝固時(shí)氧化亞銅與銅形成共晶組織，并分布于晶界上。隨著氧含量的增加，銅與氧化亞銅共晶的數(shù)量也在不斷增加，氧化亞銅在顯微鏡下呈淺藍(lán)色，在偏光或暗場(chǎng)下呈紅寶石色。

2.1 火燒熔痕

對(duì)銅、鋁導(dǎo)線而言，當(dāng)火場(chǎng)溫度超過鋁的熔點(diǎn)660 ℃和銅的熔點(diǎn)1 083 ℃時(shí)，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)就很可能找到以上兩種金屬的熔化痕跡。因火燒熔痕是在火災(zāi)中形成的，導(dǎo)線幾乎全線受熱，金屬熔痕結(jié)晶時(shí)冷卻速率相對(duì)較慢，其晶粒尺寸大，往往為一些粗大的等軸晶。導(dǎo)線熔痕凝固時(shí)間長(zhǎng)，絕大部分氣體都已逸出，被截留于熔痕內(nèi)的氣體少，晶粒內(nèi)幾乎無氣孔存在，但多股軟導(dǎo)線有未被完全熔化的間隙孔?；馃酆墼谛纬蓵r(shí)導(dǎo)線全線受熱，導(dǎo)線熔化部分與導(dǎo)線未熔化部分之間過渡區(qū)域的溫差極小，結(jié)晶完成后過渡區(qū)域的晶界非常模糊，有的甚至無過渡區(qū)域，如圖1～2所示。

2.2 短路熔痕

2.2.1 一次短路熔痕

導(dǎo)線一次短路熔痕處的組織呈鑄態(tài)組織的特征，具有細(xì)小的柱狀晶或胞狀晶，觀察磨面上的孔洞小且少，熔化區(qū)與未熔化區(qū)間有明顯的分界線，晶粒特征比較典型的銅導(dǎo)線、鋁導(dǎo)線一次短路熔痕顯微組織如圖3～4所示。當(dāng)一次短路熔痕形成時(shí)，因環(huán)境溫度較低，整根導(dǎo)線處于正常使用時(shí)的狀態(tài)，短路瞬間除短路點(diǎn)處于高溫狀態(tài)下，整根導(dǎo)線的溫度并不高，所以一次短路熔痕的組織仍呈方向性，過渡區(qū)（熔痕與導(dǎo)線銜接處）的界線比較明顯，如圖5所示。圖5中左邊箭頭所指處為銅導(dǎo)線組織，為粗大的等軸晶；右邊箭頭所指處為銅導(dǎo)線一次短路熔痕組織，為細(xì)小的柱狀晶和胞狀晶。

一次短路熔痕是在常溫環(huán)境下形成的，一般不會(huì)超過50℃，因此銅導(dǎo)線一經(jīng)電弧高溫熔化就馬上凝固，溶液存在的時(shí)間短，溶入的氧氣量也較少，所以在一次短路熔痕內(nèi)部的氣孔小且少，表面呈暗紅色，光澤度差，平滑且有微量碳。顯微組織中的銅和氧化亞銅共晶體也較少，所以在高倍顯微鏡下也很難找到共晶組織。

如果導(dǎo)線在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中繼續(xù)加熱，過渡區(qū)的顯微組織雖然隨著溫度升高而變?yōu)榇执蟮牡容S晶，在短路熔化區(qū)內(nèi)的細(xì)小柱狀晶相互吞并聚集長(zhǎng)大，但在大晶界處仍存在柱狀晶的痕跡，過渡區(qū)界限仍比較明顯，鋁導(dǎo)線在高溫長(zhǎng)時(shí)加熱后一次短路熔痕的顯微組織如圖6所示。

圖6 鋁導(dǎo)線高溫長(zhǎng)時(shí)加熱后一次短路熔痕的顯微組織Fig.6 Microstructure of primary short circuited melted mark of aluminum wire after heating for a long time at high temperature

2.2.2 二次短路熔痕

導(dǎo)線二次短路熔痕呈粗大的柱狀晶組織特征，觀察面上的孔洞大且多，熔化區(qū)與未熔化區(qū)間沒有明顯的分界線，如圖7～8所示。在二次短路熔痕形成之前，在火焰的高溫作用下，鋁導(dǎo)線在某一局部范圍內(nèi)受高溫作用而導(dǎo)致局部晶粒長(zhǎng)大，由于處在短路點(diǎn)附近的溫度也比較高，所以過渡區(qū)的界線比較模糊。

圖7 銅導(dǎo)線二次短路熔痕的顯微組織Fig.7 Microstructure of second short circuited melted mark of copper wire

圖8 鋁導(dǎo)線二次短路熔痕的顯微組織Fig.8 Microstructure of second short circuited melted mark of aluminum wire

二次短路熔痕是在火災(zāi)中形成的，因火場(chǎng)溫度高、冷卻速率小、凝固過程長(zhǎng)，以及火災(zāi)環(huán)境中存在著大量灰塵、雜質(zhì)和各種燃燒產(chǎn)物，再加上空氣中的蒸汽多，氧與銅反應(yīng)充分，故生成的銅和氧化亞銅共晶體數(shù)量也較多，且其內(nèi)部氣孔總是又大又多，分布在熔珠的邊緣及中部，并有一定量的縮孔。氣孔表面呈透明的鮮紅色，光澤度強(qiáng)，有粗糙的條紋或光亮的斑點(diǎn)［7］。如果在火焰中繼續(xù)不斷加熱，則在短路熔化區(qū)內(nèi)比較粗大的柱狀晶和在過渡區(qū)內(nèi)比較粗大的等軸晶都將繼續(xù)長(zhǎng)大，從而使過渡區(qū)的界線更加模糊不清。

2.3 過負(fù)荷熔痕

銅導(dǎo)線因過負(fù)荷發(fā)熱而熔化時(shí)，由于受熱時(shí)間長(zhǎng)，溫度相對(duì)較低，與空氣中的氧充分接觸而致氧含量較高，因此在這種情況下生成的熔痕中往往能發(fā)現(xiàn)大量的枝狀組織和氧化亞銅共晶體組織而明顯區(qū)別于一次、二次短路熔痕的顯微組織，且其內(nèi)部孔洞也很小，如圖9（a）所示。如果在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火焰中繼續(xù)加熱，處于周圍高溫空氣中的時(shí)間較長(zhǎng)，引起銅和氧反應(yīng)，則其顯微組織以銅和氧化亞銅共晶組織為主，晶粒較粗大，如圖9（b）所示。

3 結(jié) 論

在電氣火災(zāi)原因鑒定中，通過對(duì)熔痕的宏、微觀綜合分析可以區(qū)分出火燒熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕以及過負(fù)荷熔痕，為判定起火原因提供技術(shù)依據(jù)，但由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，各種導(dǎo)線熔痕在火災(zāi)中經(jīng)受的過程十分復(fù)雜，所以在應(yīng)用金相分析的同時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，查清起火點(diǎn)，綜合分析，以做出正確的火災(zāi)原因鑒定。

［1］蔣清.淺談電氣線路的短路起火和線路過載［J］.廣東土木與建筑，2004（4）：63-64.

［2］趙長(zhǎng)征.電氣火災(zāi)原因認(rèn)定和痕跡鑒定［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2003（12）：3-5.

［3］楊曉紅，馬子寧，趙輝.電氣火災(zāi)中導(dǎo)線熔痕的成因及形態(tài)特征的研究［J］.東北電力技術(shù)，2006（5）：15-19.

［4］王學(xué)峰.淺談導(dǎo)線短路熔痕的鑒別［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2008（10）：57-58.

［5］GB／T 16840.1-2008 電氣火災(zāi)痕跡物證技術(shù)鑒定方法 第1部分：宏觀法［S］.

［6］張學(xué)楷.線路過載電氣火災(zāi)危險(xiǎn)性的分析、預(yù)防要求及原因認(rèn)定［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2008（11）：57-60.

［7］葉詩茂，王立芬，陽世群，等.電氣火災(zāi)中銅導(dǎo)線火燒痕的研究［J］.理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2007，43（5）：226-231.