AA8030型鋁合金導(dǎo)線火災(zāi)前短路熔化痕跡鑒別技術(shù)研究

李 陽(yáng)，劉義祥，范超毅，李九霖

(中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

AA8030型鋁合金導(dǎo)線為Al-Fe-X系列導(dǎo)線，以Al元素為主，其中Fe含量為0.3%～0.8%，Cu含量為0.15%～0.30%，還有Si、Mg、Co等微量元素，相較于純鋁導(dǎo)線，電導(dǎo)率略有升高，且具有更好的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度[1]。19世紀(jì)初，美國(guó)最早開(kāi)始了電工鋁合金的研究。1920年，美國(guó)、德國(guó)、瑞士等國(guó)家開(kāi)始在高壓輸送線路中使用鋁合金導(dǎo)線[2]。1982年，我國(guó)上海電纜研究所首先研究了耐熱鋁合金導(dǎo)線，結(jié)束了我國(guó)進(jìn)口耐熱鋁合金導(dǎo)線的歷史[3-4]。隨著技術(shù)發(fā)展，我國(guó)的鋁合金導(dǎo)線研究日漸成熟，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。AA8030型鋁合金導(dǎo)線是應(yīng)用最為成熟的導(dǎo)線之一，如：成都?xì)g樂(lè)谷、天津普洛斯物流園等場(chǎng)所。雖然得到了大量的應(yīng)用，但針對(duì)該型鋁合金導(dǎo)線火災(zāi)危險(xiǎn)性的相關(guān)研究較少，特別是涉及其電氣故障熔化痕跡的研究仍較為匱乏。

鋁合金導(dǎo)線常用于動(dòng)力線和架空線路，如果施工不規(guī)范，受到外界破壞，較易引起相間短路故障，產(chǎn)生短路高溫電弧，引燃周?chē)扇嘉?，繼而引發(fā)火災(zāi)[5]。由于架空線路往往位于高處，火災(zāi)前的短路故障產(chǎn)生的熔化痕跡，受到高溫破壞較小，易被發(fā)現(xiàn)和提取，其熔化痕跡的鑒定結(jié)果是認(rèn)定此處發(fā)生相間短路故障引發(fā)火災(zāi)的關(guān)鍵證據(jù)。早在1977年，Levinson首先使用金相法對(duì)導(dǎo)線熔化痕跡進(jìn)行檢驗(yàn)鑒定的研究[6]；隨后，研究人員對(duì)檢驗(yàn)鑒定導(dǎo)線熔化痕跡的金相法進(jìn)行了深入研究，并得到了廣泛應(yīng)用，已成為可信度較高的一種檢驗(yàn)鑒定方法。1997年，王希慶等結(jié)合調(diào)查實(shí)踐和研究結(jié)果，在我國(guó)首次提出金相法檢驗(yàn)鑒定電氣火災(zāi)痕跡物證的判據(jù)，并建立了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一直沿用至今[7-8]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金相法已由定性分析組織特征，發(fā)展到自動(dòng)定量分析，鑒定準(zhǔn)確性得到了極大提高。

相較于純鋁導(dǎo)線，鋁合金導(dǎo)線由于多種微量元素的加入(如表1所示)，其自身性能發(fā)生了改變，因此在短路高溫電弧作用下，導(dǎo)線的熔化和凝固過(guò)程也必將發(fā)生改變，產(chǎn)生的熔化痕跡也將出現(xiàn)典型特征和變化規(guī)律。因此，如何對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中AA8030型鋁合金導(dǎo)線短路熔化痕跡進(jìn)行判斷，從而認(rèn)定其火災(zāi)前發(fā)生了短路故障，目前尚未找到相關(guān)研究資料。本文將根據(jù)《電氣火災(zāi)痕跡物證鑒定方法》(GB/T 16840)的相關(guān)內(nèi)容，模擬制備火災(zāi)前短路故障熔化痕跡，分析熔化痕跡的形狀特征，為現(xiàn)場(chǎng)提取痕跡物證提供參考，用金相法對(duì)熔化痕跡進(jìn)行組織分析，為檢驗(yàn)鑒定提供依據(jù)。同時(shí)，考慮短路電弧熱作用過(guò)程的復(fù)雜性，分析短路電弧能量對(duì)短路故障熔化痕跡特征的影響規(guī)律，提高AA8030型鋁合金導(dǎo)線火災(zāi)前短路故障熔化痕跡檢驗(yàn)鑒定的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

單股聚氯乙烯AA8030型鋁合金導(dǎo)線，橫截面積為6 mm2，上海起帆電纜有限公司生產(chǎn)；5%HF水溶液；牙托水、牙托粉、氧化鋁拋光粉等。

表1 AA8030型鋁合金導(dǎo)線元素質(zhì)量百分比(%)[9]

1.2 儀器設(shè)備

(1)電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置(自主研發(fā))：高速采集短路瞬間的電壓、電流值，采集頻率1.5×104Hz，測(cè)量精度為電壓0.1 V，電流0.1 A，主要用于模擬發(fā)生導(dǎo)線間的短路故障、過(guò)電流故障；(2)YMP-1金相試樣磨拋機(jī)；(3)Zeiss AxioObserverA1倒置型金相顯微鏡；(4)XTL-340型體視顯微鏡(上海長(zhǎng)方光學(xué)儀器有限公司制造)。

1.3 樣品制備

如圖1所示，根據(jù)導(dǎo)線的常見(jiàn)布線方式，選取200 mm的兩根鋁合金導(dǎo)線，中間部位去除3 mm的絕緣，模擬絕緣層的機(jī)械損傷缺口，在缺口處短接兩根導(dǎo)線，以保證周?chē)^緣層在高溫電弧作用下產(chǎn)生熱分解氣體，參與熔化痕跡的形成過(guò)程中，貼近真實(shí)故障作用場(chǎng)景。分別設(shè)定短路觸發(fā)電流為80 A、120 A、160 A、200 A、240 A，間接控制電弧激烈程度，同時(shí)記錄每個(gè)短路過(guò)程瞬間的電壓、電流及持續(xù)時(shí)間，

圖1 AA8030型鋁合金導(dǎo)線火災(zāi)前短路故障制備示意圖

計(jì)算短路電弧能量，如公式(1)所示[10]。

(1)

式中，Un為瞬時(shí)電壓值(V)；In為瞬時(shí)電流值(A)；Tn為短路時(shí)間(S)；Warc為電弧能量(J)。制備約500個(gè)熔珠，統(tǒng)計(jì)分析短路釋放能量對(duì)熔化痕跡形狀和組織特征的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 火災(zāi)前短路熔化痕跡宏觀特征

如圖2所示，AA8030型鋁合金導(dǎo)線發(fā)生相間短路故障時(shí)，將產(chǎn)生5類(lèi)熔痕，分別是：凹坑痕、凸起痕、圓球痕、尖狀痕和平起痕。如表2所示，在制備的500個(gè)短路熔痕中，圓球痕和尖狀痕的數(shù)量最多，分別達(dá)到了134和135個(gè)，其次是平起痕的90個(gè)。估算各個(gè)短路故障發(fā)生時(shí)的電弧能量，發(fā)現(xiàn)所測(cè)短路熔痕的電弧能量最大值為856.79 J,最小值為109.44 J，故將電弧能量值分布范圍設(shè)定為100～900 J，區(qū)間長(zhǎng)度為100 J。分析表2可知，出現(xiàn)凹坑痕和凸起痕時(shí)，往往電弧能量較低，通常在300 J以

圖2 AA8030型鋁合金導(dǎo)線短路熔化痕跡典型宏觀特征(500×)

表2 各個(gè)電弧能量區(qū)間短路熔化痕跡宏觀特征類(lèi)型分布

下，不會(huì)造成導(dǎo)線熔斷，只會(huì)產(chǎn)生凹坑痕和凸起痕；當(dāng)電弧能量高于800 J時(shí)，由于電弧作用過(guò)于猛烈，圓球痕和尖狀痕也會(huì)消失，僅留下平起痕。

2.2 火災(zāi)前短路熔化痕跡孔洞特征

如圖3所示，AA8030型鋁合金導(dǎo)線火災(zāi)前短路熔化痕跡橫截面中，相較于純鋁導(dǎo)線火災(zāi)前短路熔痕[11]，孔洞的數(shù)量較多，各類(lèi)宏觀特征的短路熔化痕跡孔洞分布特征有所不同：對(duì)于熔化區(qū)較小，靠近本體的凹坑痕和平起痕，存在數(shù)量較多的細(xì)小孔洞，短路電弧能量對(duì)孔洞的形成影響不大；對(duì)于熔化區(qū)相對(duì)較大，突出于導(dǎo)線本體之外的凸起痕、圓球痕、尖狀痕，多數(shù)情況下內(nèi)部孔洞數(shù)量較多，多為大孔洞，僅在電弧能量較小的圓球痕中，個(gè)別熔痕出現(xiàn)少而小的孔洞，尖狀痕孔洞多靠近本體。

圖3 各種宏觀類(lèi)型的高低電弧能量短路熔化痕跡內(nèi)部孔洞特征(500×)

2.3 火災(zāi)前短路熔化痕跡組織特征

如圖4所示，AA8030型鋁合金導(dǎo)線火災(zāi)前短路熔痕金相組織中，各類(lèi)宏觀特征的熔化痕跡內(nèi)部的組織特征也不盡相同：對(duì)于熔化區(qū)殘留量較少的凹坑痕、平起痕，甚至個(gè)別的尖狀痕，其組織非常致密，浸蝕難度大，但與本體之間存在明顯的界限；對(duì)于熔化區(qū)殘留量較多的凸起痕、圓球痕和多數(shù)尖狀痕，熔化區(qū)遠(yuǎn)離本體的兩端組織呈現(xiàn)樹(shù)枝晶，晶粒生長(zhǎng)方向性顯著，越靠近本體區(qū)組織越細(xì)密，有時(shí)熔化區(qū)的組織呈分區(qū)分布，熔化區(qū)組織與本體存在明顯的分界線。

圖4 各類(lèi)宏觀類(lèi)型的高低電弧能量短路熔化痕跡金相組織特征(500×)

3 分析與討論

3.1 電弧能量對(duì)火災(zāi)前短路熔痕宏觀特征的影響分析

當(dāng)帶電導(dǎo)線直接短接，相間電阻接近于零，回路電流迅速增大，致使短接點(diǎn)位置發(fā)熱熔化，連接處出現(xiàn)縫隙，產(chǎn)生高溫的短路電弧，電弧溫度在6 500 K以上[10]。在短路電弧的高溫作用下，短接點(diǎn)導(dǎo)體金屬瞬間熔化，縫隙增大，電弧熄滅。因此短路電弧具有溫度高，持續(xù)時(shí)間短，作用范圍小的典型特點(diǎn)[5,10]。短路電弧產(chǎn)生的能量傳遞，主要是通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流的方式，除少數(shù)能量用于向周?chē)諝廨椛錈崃客?，多?shù)能量集中用于短接點(diǎn)處的局部導(dǎo)體材料。在電弧的作用下，金屬導(dǎo)體瞬間熔化，由于溫度突然升高，周?chē)×鈮和蝗辉龃?，產(chǎn)生類(lèi)似爆炸的沖擊波，也稱(chēng)為電爆炸，沖擊波賦予高溫液態(tài)金屬動(dòng)能，產(chǎn)生明顯的噴濺現(xiàn)象[5]。電弧能量越高，電爆炸的現(xiàn)象越明顯，沖擊波的動(dòng)能越大，對(duì)液體金屬的沖擊越大，加之AA8030型鋁合金導(dǎo)線熔點(diǎn)較低，電弧能量越高，賦予高溫液體金屬能量越大，液態(tài)金屬的溫度相對(duì)越高，流動(dòng)性更好，因此，解釋了電弧能量越高，本體熔化區(qū)越小，越易形成平起痕的宏觀現(xiàn)象。在實(shí)際的火災(zāi)調(diào)查過(guò)程中，如果現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)鋁合金導(dǎo)線呈現(xiàn)平起痕，可間接地說(shuō)明此處電弧出現(xiàn)了明顯的噴濺現(xiàn)象，其正下方可能殘留有證明力更強(qiáng)的短路迸濺熔珠。

3.2 短路熔化痕跡內(nèi)部孔洞特征的影響因素分析

短路高溫電弧發(fā)生后，作用到短接點(diǎn)處的導(dǎo)體，致使導(dǎo)體熔化，成為高溫液態(tài)金屬。假設(shè)高溫液態(tài)金屬始終不凝固，其內(nèi)部孔洞的變化過(guò)程為：高溫液態(tài)金屬流動(dòng)過(guò)程中，將液體周?chē)臍怏w卷吸進(jìn)入到高溫液態(tài)金屬中，分散在液態(tài)金屬中的氣體，首先發(fā)生匯集，逐漸形成集中的氣泡，隨著氣泡的體積增大，其浮力作用增大，隨后慢慢溢出[12-14]。上述過(guò)程建立在液態(tài)金屬不冷卻凝固的假設(shè)條件下，短路熔化痕跡形成時(shí)，高溫電弧熄滅后，高溫液態(tài)金屬溫度逐漸降低，隨之流動(dòng)性減弱，氣體溢出的阻力增加，逐漸由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，此時(shí)氣體將殘留在固態(tài)金屬中，形成熔化痕跡二維橫截面看到的孔洞特征。因此，影響短路熔化痕跡內(nèi)部的孔洞特征的因素有：(1)滅弧后高溫液態(tài)金屬的起始溫度。高溫液態(tài)金屬起始溫度越高，液態(tài)金屬的流動(dòng)性越好，卷吸進(jìn)入的氣體量大，凝固時(shí)間越長(zhǎng)，氣體有充足的時(shí)間匯集成氣泡，此為高能量短路電弧作用下，在短路熔化痕跡內(nèi)部易出現(xiàn)大孔洞的主要原因。(2)高溫液態(tài)金屬周?chē)h(huán)境的導(dǎo)熱性。電弧作用時(shí)間短，作用范圍集中，對(duì)周?chē)h(huán)境的加熱作用有限。高溫液態(tài)金屬周?chē)饕嬖趦煞N物質(zhì)，一種是周?chē)目諝猸h(huán)境，另一種是導(dǎo)線本體。相對(duì)于周?chē)諝猸h(huán)境，導(dǎo)線本體為金屬，導(dǎo)熱性更好，熱容量更大，可迅速將熱量導(dǎo)走，因此靠近本體區(qū)的液體金屬溫度低，液體內(nèi)的物質(zhì)向此處流動(dòng)，此為孔洞往往出現(xiàn)在靠近本體區(qū)的原因。(3)高溫液態(tài)金屬的自身體積。高溫液態(tài)金屬附著在導(dǎo)線本體上，液態(tài)金屬體積越大，自身所含的能量越大，加之質(zhì)量-比表面積的比值增大，導(dǎo)致散熱減慢，因此其凝固所需時(shí)間較長(zhǎng)，液態(tài)金屬中分散的氣體有時(shí)間匯集。對(duì)于凹坑痕和平起痕，熔化區(qū)體積小，凝固時(shí)間短，分散的氣體來(lái)不及匯集，因此形成分散的小孔洞?？傊?，熔化痕跡孔洞的形成受電弧能量、熔化痕跡宏觀特征等多種因素的綜合影響，需要綜合考慮。

3.3 短路熔化痕跡內(nèi)部組織特征的影響因素分析

根據(jù)金屬凝固學(xué)原理[12-14]，液體金屬的凝固過(guò)程，主要受過(guò)熱度和過(guò)冷度的影響。過(guò)熱度是指在一定的壓力條件下，合金實(shí)際溫度與液相線凝固溫度的差值，此處是指短路高溫電弧作用后，高溫液態(tài)金屬起始溫度與實(shí)際凝固溫度的差值，決定著在液態(tài)階段合金的冷卻速度。過(guò)冷度是指合金的液相線凝固溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值，此處是指合金的熔點(diǎn)溫度(液相線)與周?chē)h(huán)境溫度的差值，理論上認(rèn)為外界環(huán)境溫度為室溫。金屬凝固得越快，越易形成樹(shù)枝狀晶粒，凝固得越慢，越易形成等軸狀穩(wěn)定晶粒。因此，影響短路熔化痕跡內(nèi)部晶粒組織特征的因素主要有：(1)滅弧后高溫液態(tài)金屬的起始溫度。此溫度決定著短路后液態(tài)金屬的過(guò)熱度，起始溫度越高，凝固所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，內(nèi)部晶粒具有充足的時(shí)間進(jìn)行凝核、長(zhǎng)大，短路電弧能量越高，傳導(dǎo)液態(tài)金屬的熱量越高，此時(shí)高溫液態(tài)金屬具有更高的起始溫度，此為高能短路電弧產(chǎn)生的熔化痕跡晶粒更大的原因所在。(2)高溫液態(tài)金屬周?chē)h(huán)境的導(dǎo)熱性。與孔洞影響因素的分析類(lèi)似，高溫液態(tài)金屬周?chē)膬煞N物質(zhì)，溫度接近于室溫，將形成由熔體中心向周?chē)镔|(zhì)逐漸降低的溫度梯度場(chǎng)，此造成短路熔化痕跡的晶粒生長(zhǎng)方向性顯著；對(duì)于凸起痕，由于導(dǎo)線本體接觸面較小且周?chē)鷮?dǎo)體對(duì)空氣散熱具有包裹性，熱量不易散出，因此凹坑痕形成的晶粒組織更加粗大。(3)高溫液態(tài)金屬的自身體積。同孔洞影響因素的分析，高溫液態(tài)金屬自身體積越小，凝固速度越快，晶粒來(lái)不及凝核、長(zhǎng)大，因此造成凹坑痕和平起痕晶粒非常細(xì)小，尖狀痕尖部組織的晶粒較為細(xì)小?？傊后w金屬的凝固速度決定著短路熔化痕跡的晶粒組織特征的形成，凝固速度取決于過(guò)熱度和過(guò)冷度。對(duì)于火災(zāi)前短路熔化痕跡來(lái)說(shuō)，理論認(rèn)為其在室溫條件下凝固，因此短路電弧能量以及熔化痕跡的宏觀特征對(duì)于組織特征的形成有顯著影響。

4 結(jié)論

4.1 AA8030型鋁合金導(dǎo)線發(fā)生火災(zāi)前相間短路故障可形成凹坑痕、凸起痕、圓球痕、尖狀痕和平起痕5類(lèi)熔化痕跡，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)凹坑痕和凸起痕說(shuō)明電弧能量較低，通常在300 J以下，發(fā)現(xiàn)平起痕說(shuō)明當(dāng)時(shí)短路故障電弧能量較高，通常在500 J以上。

4.2 AA8030型鋁合金導(dǎo)線火災(zāi)前短路熔化痕跡內(nèi)部孔洞較多，以致密的樹(shù)枝晶為主，晶粒生長(zhǎng)具有較強(qiáng)的方向性，孔洞、晶粒分析時(shí)需要結(jié)合熔化痕跡的形狀特征，凹坑痕和平起痕孔洞較小、分散，組織最為致密，凸起痕和圓球痕組織相對(duì)粗大，多為集中大孔洞。