電氣火災中導線熔痕的宏微觀特征

2013-12-11 10:37:48李恩霞時軍波李永德郭衛民顏國剛

機械工程材料 2013年9期

徐娜，李恩霞，時軍波，李永德，郭衛民，顏國剛

（山東省科學院山東省分析測試中心，山東省材料失效分析與安全評估工程技術研究中心，濟南250014）

0 引言

電氣火災原因的鑒定是消防、保險等機構非常關注并且長期研究的課題。據統計，近20a來，我國人均用電量翻了近一番，電氣化程度日益提高，由電氣故障引發的火災也呈逐年上升的趨勢，電氣火災年均發生次數占總火災次數的28%。電氣火災發生的原因一方面是由電器設備或導線過載、線路老化使絕緣破損或某些電氣工程違規安裝、布線混亂等原因造成的，另一方面，電氣設備在高溫作用下，電氣絕緣遭到破壞，造成帶電線路發生短路而誘發電氣火災［1-3］。在火災現場勘查中，調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理，能為認定電氣火災的原因提供證據［4］。

作者根據近年來分析的多起電氣火災事故，分析歸納了火燒熔痕、短路熔痕和過負荷熔痕的宏、微觀特征，為認定電氣火災原因提供了客觀、科學的依據。

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。火燒熔痕形成的熔珠較大，銅導線熔珠的直徑通常為其線徑的1～3倍，鋁導線熔珠的直徑通常為其線徑的1～4倍；有的熔珠凝結在導線端部，有的凝結在導線中部，其表面光滑，無麻點和小坑，具有金屬光澤；而且熔化的范圍大，熔化區和非熔化區無明顯界線，導線與熔珠之間有變細過渡跡象；在整根導線上有若干部位因熔化而變細，亦有若干部位因熔化積聚而變粗，無固定形狀的熔化痕跡。在銅質多股軟線的線端部形成熔珠或尖狀熔痕，熔痕附近的細銅線熔化并粘結在一起，很難分開；在熔珠內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，一般出現在導線的端部，有的也在導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、麻點和毛刺且比較粗糙；在短路點處形成了明顯的熔化痕跡，而在整根導線的其它部位沒有熔化現象。銅導線上的短路熔珠直徑通常為其線徑的1～2倍，鋁導線上的短路熔珠直徑通常為其線徑的1～3倍；短路熔珠位于導線的端部或歪在一側。

一次短路一般僅有一個短路點，其熔珠一般沒有煙霧熏痕；一次短路熔痕由于周圍環境溫度低，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域，而且沒有銅熔融形成的結疤。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象。在銅質多股軟線的線端部形成熔痕時，熔痕與導線連接處無熔化粘結痕跡，其多股細絲仍能逐根分離，有的細絲端部出現微小熔珠。一次短路的氣孔內壁略顯光滑，呈細鱗片狀，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，熔珠的個別部位有塌凹現象；熔融銅與非熔化部分界面不明顯，熔珠和導線間有熔化過渡跡象，導線上有微熔變細的痕跡。其熔珠比一次短路的熔珠稍大，并且可出現導線結疤現象。在銅質多股軟線的端部形成短路熔珠時，與短路熔珠相連接的導線變硬或粘結在一起。二次短路熔珠的氣孔內壁相當粗糙，呈鱗片狀，氣孔大且多［5］。

1.3 過負荷熔痕

所謂過負荷是指當導線中通過的電流超過了安全載流量時，導線的溫度不斷升高，加快了導線絕緣層老化變質。線路過負荷火災的最基本特征是過負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，過負荷形成的痕跡出現在全線路中［6］。當嚴重過負荷時，導線的溫度會不斷升高，同時時間又長，使導線變紅，表面發生氧化反應，當溫度達到或超過導線的熔點時，導線開始熔化，所以有時整根導線會發生變形和結痕現象，表面粗糙且分布均勻。

2 不同熔痕的微觀特征

不同類型火災下的導線在微觀特征上的不同主要體現在兩個方面，即微觀孔洞和晶粒上。銅在熔化時，由于空氣的存在，會在熔珠內部生成孔洞，空氣中的氧也會被銅吸收同時與之發生反應，形成氧化亞銅并溶解于銅中，凝固時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量也在不斷增加，氧化亞銅在顯微鏡下呈淺藍色，在偏光或暗場下呈紅寶石色。

2.1 火燒熔痕

對銅、鋁導線而言，當火場溫度超過鋁的熔點660 ℃和銅的熔點1 083 ℃時，在火災現場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中形成的，導線幾乎全線受熱，金屬熔痕結晶時冷卻速率相對較慢，其晶粒尺寸大，往往為一些粗大的等軸晶。導線熔痕凝固時間長，絕大部分氣體都已逸出，被截留于熔痕內的氣體少，晶粒內幾乎無氣孔存在，但多股軟導線有未被完全熔化的間隙孔。火燒熔痕在形成時導線全線受熱，導線熔化部分與導線未熔化部分之間過渡區域的溫差極小，結晶完成后過渡區域的晶界非常模糊，有的甚至無過渡區域，如圖1～2所示。

2.2 短路熔痕

2.2.1 一次短路熔痕

導線一次短路熔痕處的組織呈鑄態組織的特征，具有細小的柱狀晶或胞狀晶，觀察磨面上的孔洞小且少，熔化區與未熔化區間有明顯的分界線，晶粒特征比較典型的銅導線、鋁導線一次短路熔痕顯微組織如圖3～4所示。當一次短路熔痕形成時，因環境溫度較低，整根導線處于正常使用時的狀態，短路瞬間除短路點處于高溫狀態下，整根導線的溫度并不高，所以一次短路熔痕的組織仍呈方向性，過渡區（熔痕與導線銜接處）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線組織，為粗大的等軸晶；右邊箭頭所指處為銅導線一次短路熔痕組織，為細小的柱狀晶和胞狀晶。

一次短路熔痕是在常溫環境下形成的，一般不會超過50℃，因此銅導線一經電弧高溫熔化就馬上凝固，溶液存在的時間短，溶入的氧氣量也較少，所以在一次短路熔痕內部的氣孔小且少，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。

如果導線在火災現場中繼續加熱，過渡區的顯微組織雖然隨著溫度升高而變為粗大的等軸晶，在短路熔化區內的細小柱狀晶相互吞并聚集長大，但在大晶界處仍存在柱狀晶的痕跡，過渡區界限仍比較明顯，鋁導線在高溫長時加熱后一次短路熔痕的顯微組織如圖6所示。

圖6 鋁導線高溫長時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，熔化區與未熔化區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，鋁導線在某一局部范圍內受高溫作用而導致局部晶粒長大，由于處在短路點附近的溫度也比較高，所以過渡區的界線比較模糊。

圖7 銅導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中形成的，因火場溫度高、冷卻速率小、凝固過程長，以及火災環境中存在著大量灰塵、雜質和各種燃燒產物，再加上空氣中的蒸汽多，氧與銅反應充分，故生成的銅和氧化亞銅共晶體數量也較多，且其內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，有粗糙的條紋或光亮的斑點［7］。如果在火焰中繼續不斷加熱，則在短路熔化區內比較粗大的柱狀晶和在過渡區內比較粗大的等軸晶都將繼續長大，從而使過渡區的界線更加模糊不清。

2.3 過負荷熔痕

銅導線因過負荷發熱而熔化時，由于受熱時間長，溫度相對較低，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現大量的枝狀組織和氧化亞銅共晶體組織而明顯區別于一次、二次短路熔痕的顯微組織，且其內部孔洞也很小，如圖9（a）所示。如果在火災現場的火焰中繼續加熱，處于周圍高溫空氣中的時間較長，引起銅和氧反應，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。