接觸不良故障發熱機理及痕跡特征研究現狀

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。

基金項目：國家重點研發計劃電氣線路發光連接監測預警技術（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，是引發電氣火災的重要原因之一。為查明接觸不良引發火災機理以及接觸不良火災痕跡特征，本文通過整理國內外相關文獻，探討了關于接觸不良電氣火災研究的最新進展。首先，本文介紹了接觸不良電氣火災的引燃機理研究現狀。其次，綜述了接觸不良電氣火災痕跡特征，從宏觀和微觀兩個層面總結了接觸不良電氣火災的典型特征。這些研究進展有望為調查提供更為深入的理論基礎和實踐指導。最后，指出未來接觸不良電氣火災調查應該將接觸不良電氣故障分析和接觸不良電氣火災鑒定方法相結合，形成接觸不良電氣火災綜合鑒定技術理論，并且吸收多學科研究成果，使接觸不良電氣火災調查更加系統性。

關鍵詞：接觸不良；發熱機理；痕跡特征；研究現狀

引言

電氣火災每年都會導致巨大損失與人員傷亡，接觸不良故障被認為是電氣火災的一個重要原因。當發生接觸不良故障時，累積的氧化物由于其高電阻可能會引起極高的溫度，并可能導致著火，具體取決于周圍可燃物的情況。據應急管理部消防救援局發布的近10年全國居住場所火災情況統計， 2012年至2021年，全國共發生居住場所火災132.4萬起，造成11634人遇難、6738人受傷，直接財產損失77.7億元，其中由電氣原因引發的火災占42.7%。雖然就火勢發展而言，電氣火災與其他類型的火災沒有差別，但是由于電氣火災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，以便系統調查火災原因。因接觸不良故障引發的火災一直是引發電氣火災的重要原因之一，在世界范圍內都進行了深入研究。西方國家對于電氣火災的研究起步較早。從19世紀70年代起，NFPA（美國國家消防協會）等機構就對電氣火災相關課題做過研究，美國的UL（美國保險商試驗所）發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相關研究項目。我國對于電氣火災相關研究發展較快，研究領域覆蓋接觸不良、短路、過電流等領域，研究機構主要包括中國人民警察大學、應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的電氣火災事故頻發、造成巨大損失、并對社會產生嚴重影響，因此如何識別和發現接觸不良故障留下的相關痕跡物證從而準確確定電氣火災原因是火災調查專業人員一直努力研究的重要課題。本文根據接觸不良故障電氣火災現場的特殊性，系統總結了接觸不良故障引發火災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調查工作。

一、接觸不良引發火災機理研究

在專業領域中，普遍認為接觸不良是引發電氣火災最重要的原因之一。由于用電設備的供電線以及設備本身有許多帶電的連接點，連接點的接觸不良（連接點過熱或發光）在專業領域被普遍認為是引發電氣火災的重要原因之一。任何一個連接點都可能發生接觸不良故障。如果連接點周圍存在絕緣皮或者其他可燃物，故障就可能引發火災事故。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現的主要原因。除此之外，接觸不良會在線路連接點引發接頭處發光、發熱現象。這種現象溫度高，隱蔽性強，普遍存在于電氣線路中，火災危險性極大。因此，對接觸不良故障發熱機理的研究顯得尤為重要。目前對于接觸不良故障的發熱機理研究主要集中在連接點接觸電阻發熱和串聯電弧發熱上。

（一）連接點接觸電阻發熱機理

根據霍爾姆電接觸理論，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，高接觸電阻會產生大量的焦耳熱。焦耳熱是傳熱的來源，不僅使導線溫度上升，也使導線周圍的空氣溫度上升。導體連接松動，會導致導體間的接觸面積減少，接觸電阻增大，在電流通過該區域時溫度上升明顯。連接處與空氣中的氧氣發生反應，使接觸導體表面氧化，形成氧化膜。由于金屬氧化物大多是半導體，特別是以銅、鋁作為導體所產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產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域的研究重點。兩導體表面之間的接觸電阻取決于材料的導電特性、負載、電流和接觸體的幾何形狀。當兩種不同金屬接觸時，由于熱電系數不同，會產生接觸熱電效應。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，使接觸點附近產生溫度梯度。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）串聯電弧發熱機理

在大氣中當導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生一團溫度極高、發出強光和能夠導電的近似圓柱形的氣體，這就是電弧，電弧溫度一般在5000℃以上[2]。導體之間連接松動而引起的串聯電弧存在極大的安全隱患，甚至造成嚴重的火災事故。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，并能在引發電氣火災前切斷電路，有效防止由電弧故障引起的電氣火災。現有的電弧故障器檢測不到串聯電弧故障，除非串聯電弧發展為并聯或接地電弧。由此可見，串聯電弧的危險性極高。為了更好了解串聯電弧的火災危險性，研究其引燃可燃物機理顯得尤為重要。當兩個導體經歷頻繁通斷后，就會產生串聯電弧，雖然產生串聯電弧的電流較低，但仍會產生熱等離子，足以使靠近電弧的可燃物發生熱解。可燃物受熱分解產生的可燃氣體與空氣混合，在導線周圍形成高溫預混氣體，預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，隨著溫度的上升其電阻下降，使電流在氧化橋上流通，最后會引發接觸面發光、發熱的現象。

二、接觸不良火災痕跡物證研究現狀

（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，依據其外觀形狀特征，初步鑒別出其熔化性質，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，研究鋁導線連接點過熱故障現象及其痕跡特征。實驗發現，鋁線勾接狀態下所有斷點都出現在勾接處，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。實驗結果表明，電線和螺釘的接觸區域會形成氧化橋，導線外部會生成易剝落的氧化皮，如果將導線與螺母分離，導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光連接，隨著時間的增加，導線與螺釘接觸處逐漸產生氧化變色現象，隨后導體開始在輝光點處頸縮，最終在銅線和螺釘接觸處切斷，導線一端粘附在螺釘上，一端斷頭呈珠狀結構，這與外部火災引起的電弧和熔化損傷相比是不同的。Benfer等人提到當插座發生故障時，會留存下一系列的物理痕跡，如導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導線斷裂等。張晶等人通過體視顯微鏡拍攝了不同電流下導線經歷發光連接后的銅導線冷卻至室溫的表面形貌圖片，氧化物橋在自然光下呈現出黑色光澤并帶有絲狀銀灰色，一些微小珠子粘附在導線表面上，銅線表面會出現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

由于火場環境的復雜性，電氣元件熔痕檢驗鑒定是一個難點。目前，金相法廣泛應用于熔痕的檢驗鑒定，也是現今最為系統、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象。對于銅，受電弧影響的晶粒呈現定向、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現了一個非定向晶粒生長區域。他們參考了初始導線的晶粒尺寸，但沒有測量電弧附近的晶粒尺寸。

2.掃描電鏡-能譜儀

掃描電子顯微技術是一種微觀形貌表征手段，具有視野大、分辨率高等優點，一般只能分析含量在0.1%以上的元素。Korinek等人還對經歷過發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光連接，研究了發光連接氧化橋的微觀結構，他們根據不同區域的熱歷史不同，總結出了氧化橋的六種微觀結構特征，發光燈絲上觀察到了樹枝狀結構和細化顆粒；沿著氧化橋與未氧化導體之間的邊界線出現羽毛形或葉形偏析結構；氧化橋內部可以觀察到不規則的空腔結構；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，是一種對分子結構進行識別的分析技術，譜峰的位置和強度直接反映了物質的結構與含量信息。此外，拉曼光譜是一種非破壞性技術，對于樣品中微小的變化具有高分辨率，能夠提供詳細的結構信息。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），實驗結果表明不同部位的內部成分不同：氧化銅（Cuo）存在于氧化橋與為氧化區交界處附近，氧化銅（Cuo）和氧化亞銅（Cu2O）共同存在于發光燈絲上，氧化橋其余部分僅出現氧化亞銅（Cu2O）。在起火點附近發現損傷的導線，發現導線上存在明顯氧化或未氧化的分界線，再對其進行分區域的成分分析，有助于判斷是否由接觸不良故障引發火災。

結語

本文主要從接觸不良故障引發火災機理以及接觸不良火災痕跡物證研究兩個方面綜述了有關接觸不良電氣火災的研究現狀，得出了結論。目前，接觸不良故障引發電氣火災機理主要分為接觸點高電阻連接發熱和電弧發熱，這兩種發熱機理有可能同時出現在接觸不良故障中。由接觸不良故障引發的火災，一般會在電氣元件上留下痕跡特征，從宏觀上看，導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，靠近接觸點的導線絕緣層炭化起泡，導線熔斷與螺母切離，導線上會形成半圓形凸口，熔痕表面光滑有光澤。從微觀上看，根據熱歷史不同，會在不同的區域形成不同的微觀形貌與組成成分，冷卻后的導體內部氣孔較多，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，2022，41（06）：860-864.

[3]趙艷紅，李巖，白瑪堅才.鋁導線違規連接點過熱故障及痕跡分析[J].消防科學與技術，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，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.