接觸不良故障發(fā)熱機理及痕跡特征研究現(xiàn)狀

作者簡介：

徐濤（1999- ），男，漢族，四川遂寧人，碩士研究生，研究方向：電氣火災(zāi)。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃電氣線路發(fā)光連接監(jiān)測預(yù)警技術(shù)（項目編號：2023 YFC3009803）。

摘要：

接觸不良故障因其廣泛存在于電氣線路中且難以被檢測，是引發(fā)電氣火災(zāi)的重要原因之一。為查明接觸不良引發(fā)火災(zāi)機理以及接觸不良火災(zāi)痕跡特征，本文通過整理國內(nèi)外相關(guān)文獻，探討了關(guān)于接觸不良電氣火災(zāi)研究的最新進展。首先，本文介紹了接觸不良電氣火災(zāi)的引燃機理研究現(xiàn)狀。其次，綜述了接觸不良電氣火災(zāi)痕跡特征，從宏觀和微觀兩個層面總結(jié)了接觸不良電氣火災(zāi)的典型特征。這些研究進展有望為調(diào)查提供更為深入的理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。最后，指出未來接觸不良電氣火災(zāi)調(diào)查應(yīng)該將接觸不良電氣故障分析和接觸不良電氣火災(zāi)鑒定方法相結(jié)合，形成接觸不良電氣火災(zāi)綜合鑒定技術(shù)理論，并且吸收多學科研究成果，使接觸不良電氣火災(zāi)調(diào)查更加系統(tǒng)性。

關(guān)鍵詞：接觸不良；發(fā)熱機理；痕跡特征；研究現(xiàn)狀

引言

電氣火災(zāi)每年都會導(dǎo)致巨大損失與人員傷亡，接觸不良故障被認為是電氣火災(zāi)的一個重要原因。當發(fā)生接觸不良故障時，累積的氧化物由于其高電阻可能會引起極高的溫度，并可能導(dǎo)致著火，具體取決于周圍可燃物的情況。據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局發(fā)布的近10年全國居住場所火災(zāi)情況統(tǒng)計， 2012年至2021年，全國共發(fā)生居住場所火災(zāi)132.4萬起，造成11634人遇難、6738人受傷，直接財產(chǎn)損失77.7億元，其中由電氣原因引發(fā)的火災(zāi)占42.7%。雖然就火勢發(fā)展而言，電氣火災(zāi)與其他類型的火災(zāi)沒有差別，但是由于電氣火災(zāi)的引燃機理非常特別，需要有針對性開展研究，揭示其引燃機理以及由其留下的痕跡特征，以便系統(tǒng)調(diào)查火災(zāi)原因。因接觸不良故障引發(fā)的火災(zāi)一直是引發(fā)電氣火災(zāi)的重要原因之一，在世界范圍內(nèi)都進行了深入研究。西方國家對于電氣火災(zāi)的研究起步較早。從19世紀70年代起，NFPA（美國國家消防協(xié)會）等機構(gòu)就對電氣火災(zāi)相關(guān)課題做過研究，美國的UL（美國保險商試驗所）發(fā)布了多項插頭插座的安全標準體系以及試驗方法，日本警察科學國家研究所也一直在從事電氣火災(zāi)相關(guān)研究項目。我國對于電氣火災(zāi)相關(guān)研究發(fā)展較快，研究領(lǐng)域覆蓋接觸不良、短路、過電流等領(lǐng)域，研究機構(gòu)主要包括中國人民警察大學、應(yīng)急管理部沈陽消防研究所、公安部物證鑒定中心等單位。由于接觸不良故障引發(fā)的電氣火災(zāi)事故頻發(fā)、造成巨大損失、并對社會產(chǎn)生嚴重影響，因此如何識別和發(fā)現(xiàn)接觸不良故障留下的相關(guān)痕跡物證從而準確確定電氣火災(zāi)原因是火災(zāi)調(diào)查專業(yè)人員一直努力研究的重要課題。本文根據(jù)接觸不良故障電氣火災(zāi)現(xiàn)場的特殊性，系統(tǒng)總結(jié)了接觸不良故障引發(fā)火災(zāi)的機理以及近年來接觸不良故障留下的典型痕跡特征研究成果，以期在一定程度上推進接觸不良故障火災(zāi)調(diào)查工作。

一、接觸不良引發(fā)火災(zāi)機理研究

在專業(yè)領(lǐng)域中，普遍認為接觸不良是引發(fā)電氣火災(zāi)最重要的原因之一。由于用電設(shè)備的供電線以及設(shè)備本身有許多帶電的連接點，連接點的接觸不良（連接點過熱或發(fā)光）在專業(yè)領(lǐng)域被普遍認為是引發(fā)電氣火災(zāi)的重要原因之一。任何一個連接點都可能發(fā)生接觸不良故障。如果連接點周圍存在絕緣皮或者其他可燃物，故障就可能引發(fā)火災(zāi)事故。如果通過連接點的電流極小，連接處的電壓降很低，電壓降難以被檢測到，這是接觸不良故障難以被發(fā)現(xiàn)的主要原因。除此之外，接觸不良會在線路連接點引發(fā)接頭處發(fā)光、發(fā)熱現(xiàn)象。這種現(xiàn)象溫度高，隱蔽性強，普遍存在于電氣線路中，火災(zāi)危險性極大。因此，對接觸不良故障發(fā)熱機理的研究顯得尤為重要。目前對于接觸不良故障的發(fā)熱機理研究主要集中在連接點接觸電阻發(fā)熱和串聯(lián)電弧發(fā)熱上。

（一）連接點接觸電阻發(fā)熱機理

根據(jù)霍爾姆電接觸理論，連接點兩端材料不同或者同一材料由于接觸壓力不足、接觸表面粗糙會造成連接點接觸面積減少和接觸電阻增大，高接觸電阻會產(chǎn)生大量的焦耳熱。焦耳熱是傳熱的來源，不僅使導(dǎo)線溫度上升，也使導(dǎo)線周圍的空氣溫度上升。導(dǎo)體連接松動，會導(dǎo)致導(dǎo)體間的接觸面積減少，接觸電阻增大，在電流通過該區(qū)域時溫度上升明顯。連接處與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，使接觸導(dǎo)體表面氧化，形成氧化膜。由于金屬氧化物大多是半導(dǎo)體，特別是以銅、鋁作為導(dǎo)體所產(chǎn)生的銅氧化物和鋁氧化物。這種高電阻氧化物在電流通過時會持續(xù)產(chǎn)生高溫并加快額外氧化物的形成。

接觸電阻一直是電氣接觸不良領(lǐng)域的研究重點。兩導(dǎo)體表面之間的接觸電阻取決于材料的導(dǎo)電特性、負載、電流和接觸體的幾何形狀。當兩種不同金屬接觸時，由于熱電系數(shù)不同，會產(chǎn)生接觸熱電效應(yīng)。過渡電阻層中的電子會吸收金屬間的熱量，形成席克爾效應(yīng)，使接觸點附近產(chǎn)生溫度梯度。Aronstein等人[1]研究了插座不同類型的接線端子對接觸電阻的影響。結(jié)果表明，相較于螺釘端子，推入式插線端子接觸電阻增加更明顯，連接點的溫度也超過80℃，接觸電阻增加的原因主要由于銅與黃銅接觸表面的氧化與腐蝕。

（二）串聯(lián)電弧發(fā)熱機理

在大氣中當導(dǎo)體斷開或接入電路時，如果電源電壓超過12V，被開斷的電流超過0.25A，在觸頭間隙中通常會產(chǎn)生一團溫度極高、發(fā)出強光和能夠?qū)щ姷慕茍A柱形的氣體，這就是電弧，電弧溫度一般在5000℃以上[2]。導(dǎo)體之間連接松動而引起的串聯(lián)電弧存在極大的安全隱患，甚至造成嚴重的火災(zāi)事故。電弧故障斷路器是一種新型保護電器。它能檢測電氣線路中的電弧故障，并能在引發(fā)電氣火災(zāi)前切斷電路，有效防止由電弧故障引起的電氣火災(zāi)?，F(xiàn)有的電弧故障器檢測不到串聯(lián)電弧故障，除非串聯(lián)電弧發(fā)展為并聯(lián)或接地電弧。由此可見，串聯(lián)電弧的危險性極高。為了更好了解串聯(lián)電弧的火災(zāi)危險性，研究其引燃可燃物機理顯得尤為重要。當兩個導(dǎo)體經(jīng)歷頻繁通斷后，就會產(chǎn)生串聯(lián)電弧，雖然產(chǎn)生串聯(lián)電弧的電流較低，但仍會產(chǎn)生熱等離子，足以使靠近電弧的可燃物發(fā)生熱解?？扇嘉锸軣岱纸猱a(chǎn)生的可燃氣體與空氣混合，在導(dǎo)線周圍形成高溫預(yù)混氣體，預(yù)混氣體濃度一旦到達燃燒極限，電弧就會將其引燃。

電弧的熱量來自電弧中的焦耳熱，當焦耳熱累積到一定程度時也能引燃可燃物。此外，雖然低壓電弧放電強度較低，但電弧的存在會氧化電接觸面，在接觸面上形成半導(dǎo)體氧化物，氧化物的累積會在接觸面附近形成氧化橋。金屬氧化物具有負溫度系數(shù)，隨著溫度的上升其電阻下降，使電流在氧化橋上流通，最后會引發(fā)接觸面發(fā)光、發(fā)熱的現(xiàn)象。

二、接觸不良火災(zāi)痕跡物證研究現(xiàn)狀

（一）宏觀形貌特征

宏觀形貌特征分析主要采用肉眼或體視顯微鏡，通過觀察火場中殘留的金屬熔化痕跡，依據(jù)其外觀形狀特征，初步鑒別出其熔化性質(zhì)，然后再利用其他方法進行綜合分析。趙艷紅等人[3]通過模擬不同連接方式，研究鋁導(dǎo)線連接點過熱故障現(xiàn)象及其痕跡特征。實驗發(fā)現(xiàn)，鋁線勾接狀態(tài)下所有斷點都出現(xiàn)在勾接處，勾接的接觸端形成熔珠，熔痕表面光滑且具有金屬光澤。Korinek等人將導(dǎo)線直接放置在插座螺母上來分析電氣接觸不良情況下的痕跡特征。實驗結(jié)果表明，電線和螺釘?shù)慕佑|區(qū)域會形成氧化橋，導(dǎo)線外部會生成易剝落的氧化皮，如果將導(dǎo)線與螺母分離，導(dǎo)線上就會形成半圓形凹口。Korinek等人在實驗室中使用12A的電流在實心銅線和鍍鎳鋼螺釘之間制造出了發(fā)光連接，隨著時間的增加，導(dǎo)線與螺釘接觸處逐漸產(chǎn)生氧化變色現(xiàn)象，隨后導(dǎo)體開始在輝光點處頸縮，最終在銅線和螺釘接觸處切斷，導(dǎo)線一端粘附在螺釘上，一端斷頭呈珠狀結(jié)構(gòu)，這與外部火災(zāi)引起的電弧和熔化損傷相比是不同的。Benfer等人提到當插座發(fā)生故障時，會留存下一系列的物理痕跡，如導(dǎo)線因過熱而被焊接到接線端子上，接線端子頭部體積增大，接線端子處或者附近出現(xiàn)導(dǎo)線斷裂等。張晶等人通過體視顯微鏡拍攝了不同電流下導(dǎo)線經(jīng)歷發(fā)光連接后的銅導(dǎo)線冷卻至室溫的表面形貌圖片，氧化物橋在自然光下呈現(xiàn)出黑色光澤并帶有絲狀銀灰色，一些微小珠子粘附在導(dǎo)線表面上，銅線表面會出現(xiàn)一層薄薄的黑色氧化銅。

（二）微觀形貌特征及其成分

1.金相檢驗法

由于火場環(huán)境的復(fù)雜性，電氣元件熔痕檢驗鑒定是一個難點。目前，金相法廣泛應(yīng)用于熔痕的檢驗鑒定，也是現(xiàn)今最為系統(tǒng)、認可度最高的鑒定方法。趙艷紅等人[4]通過熱臺金相顯微鏡改變升溫速率，模擬不同升溫條件下，絕緣穿刺線夾接觸不良熔痕受熱過程中升溫速率對其金相組織的影響。結(jié)果表明，金相組織的晶粒平均尺寸與截距會隨著溫度升高而增大，而晶粒度會隨著升溫速率的增大而降低；金相組織的孔洞隨著受熱溫度升高逐漸縮小，縮小的速度隨升溫速率增大而加快。Murray等人[5]還觀察到了電弧點處賤金屬晶粒尺寸的變化。這是在鋁和銅接線中觀察到的電弧現(xiàn)象。對于銅，受電弧影響的晶粒呈現(xiàn)定向、線性形狀。對于鋁和鋼之間的電弧，兩種金屬間相互作用區(qū)域的晶粒較大。Lewis等人[6]在所有51個電弧放電案例中都在電弧位置附近發(fā)現(xiàn)了一個非定向晶粒生長區(qū)域。他們參考了初始導(dǎo)線的晶粒尺寸，但沒有測量電弧附近的晶粒尺寸。

2.掃描電鏡-能譜儀

掃描電子顯微技術(shù)是一種微觀形貌表征手段，具有視野大、分辨率高等優(yōu)點，一般只能分析含量在0.1%以上的元素。Korinek等人還對經(jīng)歷過發(fā)光連接的實心銅線與鍍鎳鋼螺釘接觸面微觀形貌和組成成分進行了表征，連接處的氧化物約為米粒大小，導(dǎo)線外部一共覆蓋兩層氧化物，由里到外分別是氧化亞銅（Cu2O）與氧化銅（CuO），氧化亞銅（Cu2O）與氧化銅（CuO）的厚度比例取決于溫度，最外層的氧化銅（CuO）以晶須狀生長在空氣中。張晶等人在實驗室制造出了銅線之間的發(fā)光連接，研究了發(fā)光連接氧化橋的微觀結(jié)構(gòu)，他們根據(jù)不同區(qū)域的熱歷史不同，總結(jié)出了氧化橋的六種微觀結(jié)構(gòu)特征，發(fā)光燈絲上觀察到了樹枝狀結(jié)構(gòu)和細化顆粒；沿著氧化橋與未氧化導(dǎo)體之間的邊界線出現(xiàn)羽毛形或葉形偏析結(jié)構(gòu)；氧化橋內(nèi)部可以觀察到不規(guī)則的空腔結(jié)構(gòu)；氧化橋表面可以觀察到粗粒；氧化橋表面由銅、氧、碳組成，不同部位氧化程度不同。

3.拉曼光譜法

拉曼光譜是光譜分析的一種，屬于分子散射光譜，是一種對分子結(jié)構(gòu)進行識別的分析技術(shù)，譜峰的位置和強度直接反映了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與含量信息。此外，拉曼光譜是一種非破壞性技術(shù)，對于樣品中微小的變化具有高分辨率，能夠提供詳細的結(jié)構(gòu)信息。張晶等人[7]用拉曼光譜識別接觸不良接觸處的氧化橋成分是氧化銅（Cuo）還是氧化亞銅（Cu2O），實驗結(jié)果表明不同部位的內(nèi)部成分不同：氧化銅（Cuo）存在于氧化橋與為氧化區(qū)交界處附近，氧化銅（Cuo）和氧化亞銅（Cu2O）共同存在于發(fā)光燈絲上，氧化橋其余部分僅出現(xiàn)氧化亞銅（Cu2O）。在起火點附近發(fā)現(xiàn)損傷的導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線上存在明顯氧化或未氧化的分界線，再對其進行分區(qū)域的成分分析，有助于判斷是否由接觸不良故障引發(fā)火災(zāi)。

結(jié)語

本文主要從接觸不良故障引發(fā)火災(zāi)機理以及接觸不良火災(zāi)痕跡物證研究兩個方面綜述了有關(guān)接觸不良電氣火災(zāi)的研究現(xiàn)狀，得出了結(jié)論。目前，接觸不良故障引發(fā)電氣火災(zāi)機理主要分為接觸點高電阻連接發(fā)熱和電弧發(fā)熱，這兩種發(fā)熱機理有可能同時出現(xiàn)在接觸不良故障中。由接觸不良故障引發(fā)的火災(zāi)，一般會在電氣元件上留下痕跡特征，從宏觀上看，導(dǎo)體留下亮黑色或銀灰色氧化物，插座中的接線端子會氧化變大，靠近接觸點的導(dǎo)線絕緣層炭化起泡，導(dǎo)線熔斷與螺母切離，導(dǎo)線上會形成半圓形凸口，熔痕表面光滑有光澤。從微觀上看，根據(jù)熱歷史不同，會在不同的區(qū)域形成不同的微觀形貌與組成成分，冷卻后的導(dǎo)體內(nèi)部氣孔較多，晶粒呈樹枝狀，銅線表面會覆蓋一層由Cu2O或CuO構(gòu)成的氧化層。

參考文獻

[1]Aronstein J.Evaluation of receptacle connections and contacts[C].Proceedings of IEEE Holm Conference on Electrical Contacts，1993.

[2]王偉峰，劉強，張方智，等.低壓電路接觸不良斷路電弧引燃能力實驗研究[J].消防科學與技術(shù)，2022，41（06）：860-864.

[3]趙艷紅，李巖，白瑪堅才.鋁導(dǎo)線違規(guī)連接點過熱故障及痕跡分析[J].消防科學與技術(shù)，2021，40（11）：1699-1702.

[4]趙艷紅，張智斌，曹旭東.升溫速率對穿刺線夾熔痕金相組織的影響[J].消防科學與技術(shù)，2021，40（09）：1841.

[5]Murray I，Ajersch F.New metallurgical techniques applied to fire investigation[J].Fireamp; Materials，2009：857.

[6]Lewis K H，Templeton B.Morphological variation in copper arcs during post-arc fire heating[C].Proceedings of 3rd International Symposium on Fire Investigation Scienceamp;Technology，2008：183-195.

[7]Zhang J，Chen T，Su G，et al.Microstructure and component analysis of glowing contacts in electrical fire investigation[J].Engineering Failure Analysis，2022，140：106539.