李朝陽，趙彬岐

1.貴州省消防救援總隊 法制與社會消防工作處，貴州 貴陽 550000；2.中國人民警察大學(xué) 防火工程學(xué)院，河北 廊坊 065000

0 引言

我國應(yīng)急管理部消防救援局公布的數(shù)據(jù)顯示，2020年共發(fā)生25.2萬起火災(zāi)，其中電氣火災(zāi)8.4萬起，占火災(zāi)總數(shù)的33.3%[1]。當(dāng)線路中電流值過高并持續(xù)足夠長時間時，導(dǎo)線線芯持續(xù)發(fā)熱，致使外層絕緣材料發(fā)生熱解反應(yīng)、軟化下垂，形成袖套狀痕跡，造成導(dǎo)線失效進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)[2]。由于受內(nèi)部線芯持續(xù)加熱的作用，絕緣層熱解程度越來越高，導(dǎo)線絕緣層炭化導(dǎo)電性增強，進(jìn)而形成導(dǎo)電路徑，導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生短路擊穿[3]。2018年，哈爾濱市某酒店發(fā)生火災(zāi)，造成20人死亡，23人受傷，這場火災(zāi)的起火原因就是由于管組風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子卡阻，造成導(dǎo)線電流升高，誘發(fā)短路進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)[4]。過電流誘發(fā)短路過程涉及線芯發(fā)熱、絕緣熱解、電弧擊穿等復(fù)雜現(xiàn)象，具有較高火災(zāi)危險性，在火災(zāi)調(diào)查工作中亟須對過電流誘發(fā)短路故障過程及熔痕特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，但關(guān)于此方面的研究較少。

目前，對引發(fā)電氣火災(zāi)的機(jī)理研究，多集中于炭化路徑短路、熱顆粒噴濺等常見電氣故障誘發(fā)導(dǎo)線短路的研究。Beland[5]提出流經(jīng)導(dǎo)線的電流比額定電流高很多且作用一定時間是能否產(chǎn)生袖套現(xiàn)象的條件。Ferrino-Mcallister等[6]對比分析導(dǎo)線在內(nèi)部過負(fù)荷和外部輻射熱作用下的變形特征及短路時間。Hoffmann等[7]、Novak等[8]、Fisher等[9]及Iwashita等[10-11]利用外部熱源對不同導(dǎo)線進(jìn)行熱輻射，以模擬火場中火焰或熱煙氣對導(dǎo)線的破壞作用，在線芯熔痕、絕緣擊穿、短路時間及短路機(jī)理等方面取得了一定成果。在絕緣表面火焰蔓延方面，F(xiàn)ernandez-Pello等[12]在外加輻射熱作用下，研究了絕緣電纜表面引燃延遲時間和火焰蔓延速率。但上述研究均集中在導(dǎo)線受到外部加熱作用發(fā)生的故障，而導(dǎo)線受到內(nèi)部熱作用后，發(fā)生絕緣失效和短路擊穿現(xiàn)象的過程與其存在本質(zhì)區(qū)別。本文對常用銅芯聚氯乙烯絕緣護(hù)套扁形導(dǎo)線(RVVB)，在大于額定電流條件下，研究導(dǎo)線因過電流故障導(dǎo)致線芯過熱、誘發(fā)短路擊穿現(xiàn)象、引發(fā)火災(zāi)事故的過程，并分析短路熔痕特征，為準(zhǔn)確認(rèn)定此類火災(zāi)事故提供依據(jù)。

1 試驗部分

選用正泰電器有限公司生產(chǎn)的、額定電流為8 A的1.0 mm2RVVB導(dǎo)線(見圖1)。該導(dǎo)線由雙芯銅線組成，兩根線芯均由20根細(xì)線芯絞合而成，分別由聚氯乙烯(PVC)絕緣包裹，外層再由PVC護(hù)套將兩根導(dǎo)線包裹，線芯直徑為1.13 mm，絕緣材料厚度為0.8 mm。試驗導(dǎo)線截取長度為36 cm，兩端分別去掉3 cm絕緣層，經(jīng)由德力西HDBE-63 C型2P小型斷路器與試驗設(shè)備相連接。

圖1 1.0 mm2RVVB導(dǎo)線

試驗設(shè)備主要有電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置和可調(diào)式變阻器(中國人民警察大學(xué)自主研發(fā))。電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置電流調(diào)節(jié)范圍為30～300 A，精度為0.1 A；可輸出50 Hz的交流電，電壓調(diào)節(jié)范圍為0～660 V，精度為1 V；電流電壓的采集頻率可達(dá)到1.5×104Hz。可調(diào)式變阻器內(nèi)置額定功率為3和6 kW電阻各1個，額定功率為1.5 kW電阻11個，最大功率達(dá)25.5 kW，在220 V交流電壓下最大可控電流為66 A。

試驗裝置如圖2所示。通過電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置輸出220 V交流電壓，利用可調(diào)式變阻器設(shè)定45,48,51,54,57,60,63,66 A共8個試驗電流值，每個電流值分別進(jìn)行10組平行試驗，以導(dǎo)線發(fā)生短路故障，或試驗時間達(dá)1 h為限。使用Canon 5DMarkⅣ照相機(jī)記錄導(dǎo)線過電流誘發(fā)短路故障全過程。使用Phantom VEO 640高速攝像機(jī)捕捉短路拉弧瞬間現(xiàn)象，以研究短路電弧引燃導(dǎo)線的過程。

圖2 試驗裝置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 過電流誘發(fā)導(dǎo)線短路擊穿過程

當(dāng)通過導(dǎo)線電流過大時，線芯會持續(xù)釋放熱量，并由內(nèi)及外作用于絕緣層。由于絕緣層的主要材料為PVC，根據(jù)其熱塑性，表面溫度升高至60 ℃后就會發(fā)生軟化，達(dá)到173～183 ℃時出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，并冒出白煙。當(dāng)絕緣內(nèi)層進(jìn)一步熱解，會出現(xiàn)炭化、產(chǎn)生縫隙，此時導(dǎo)線發(fā)生短路故障存在兩種情況：一種情況是兩根線芯間形成離子介質(zhì)，導(dǎo)線發(fā)生電弧擊穿；另一種情況是絕緣脫離線芯，導(dǎo)致兩根線芯直接接觸，進(jìn)而引發(fā)短路故障。

利用Photoshop軟件的視頻截幀功能，對過電流誘發(fā)導(dǎo)線短路故障進(jìn)而引起明火燃燒的過程視頻進(jìn)行處理分析。圖3為導(dǎo)線在45 A過電流作用下，發(fā)生短路故障進(jìn)而引起燃燒的過程。當(dāng)過電流作用于導(dǎo)線243 s時，絕緣層因受到線芯持續(xù)發(fā)熱作用，發(fā)生軟化、起泡，并開始冒出白煙；絕緣層及護(hù)套持續(xù)受熱，在519 s時出現(xiàn)炭化，并出現(xiàn)縫隙，形成炭化路徑型短路發(fā)生的條件；542 s時導(dǎo)線發(fā)生初次短路，整個短路拉弧過程持續(xù)近3 s，因短路電弧產(chǎn)生瞬間的高能量，絕緣層前期熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w被引燃，出現(xiàn)明火，火焰進(jìn)而將絕緣殘留物引燃，開始沿導(dǎo)線向兩端蔓延；火焰在燃燒27 s后，逐漸熄滅。

圖3 導(dǎo)線在45 A條件下誘發(fā)短路進(jìn)而引起明火燃燒的過程

在線芯發(fā)熱前期，導(dǎo)線絕緣層由內(nèi)向外散熱，當(dāng)溫度達(dá)到PVC軟化溫度時，絕緣層開始軟化鼓泡，從缺口處冒出白煙。在持續(xù)受熱一段時間后，絕緣層由內(nèi)及外出現(xiàn)炭化，并會開裂形成間隙。SFPE[4]中指出：當(dāng)絕緣層產(chǎn)生間隙，流經(jīng)導(dǎo)體的電流大于0.1 A時，電子可將空氣作為電離介質(zhì)，形成回路從而產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。由于電弧溫度在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下可達(dá)到6 500～12 000 K[4]，因此當(dāng)發(fā)生擊穿電弧時，電弧可將絕緣層前期熱解產(chǎn)生的HCl氣體和殘留物引燃，產(chǎn)生明火燃燒，且火焰會沿導(dǎo)線水平方向蔓延。

2.2 過電流誘發(fā)導(dǎo)線初次短路擊穿時間分析

試驗發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線電流在39和42 A條件下，沒有發(fā)生短路擊穿現(xiàn)象，在45 A時，導(dǎo)線有7次平行試驗未誘發(fā)短路故障，而其他7個電流值都發(fā)生了短路故障。將導(dǎo)線在不同過電流下短路故障發(fā)生時的初次短路時間進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖4所示。分析圖4中數(shù)據(jù)可知，在所設(shè)定的試驗條件下，最長初次短路時間出現(xiàn)在45 A時，為1 796 s；最短初次短路時間出現(xiàn)在66 A時，為46 s。對初次短路平均時間進(jìn)行擬合，可得到圖4所示曲線。其擬合參數(shù)R2為0.991 6，表明初次短路時間與電流值之間存在良好的指數(shù)遞減關(guān)系，即電流值越大，導(dǎo)線過電流誘發(fā)短路故障的概率越高，產(chǎn)生短路電弧時間越短。若導(dǎo)線附近有可燃物存在，則當(dāng)電流達(dá)到某一條件誘發(fā)導(dǎo)線發(fā)生短路拉弧時，會迅速將可燃物引燃，從而引發(fā)火災(zāi)事故。

圖4 不同過電流下導(dǎo)線發(fā)生初次短路的時間

2.3 過電流誘發(fā)導(dǎo)線短路持續(xù)拉弧現(xiàn)象

通過高速影像發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線在第一次擊穿發(fā)生后，由于電源側(cè)仍處于通電狀態(tài)，兩根導(dǎo)線間仍具備發(fā)生短路的條件，因此導(dǎo)線會出現(xiàn)向電源側(cè)移動的間歇性持續(xù)拉弧現(xiàn)象。NFPA 921指出[3]，如果電路中出現(xiàn)其他短路擊穿位置或下游發(fā)生擊穿現(xiàn)象，那么短路電弧應(yīng)與下游電弧同時發(fā)生或在下游電弧之后發(fā)生。由于導(dǎo)線在初次短路擊穿發(fā)生后，會出現(xiàn)間歇性持續(xù)拉弧現(xiàn)象，電弧高溫作用時間隨之延長，因此導(dǎo)線火災(zāi)危險性大大增加。利用Photoshop軟件截幀功能，可捕捉到導(dǎo)線發(fā)生持續(xù)拉弧的時間間隔及電弧發(fā)生次數(shù)。圖5為導(dǎo)線在45 A時發(fā)生的持續(xù)拉弧現(xiàn)象，第一次電弧發(fā)生328 ms后會發(fā)生第二次拉弧現(xiàn)象，在3 606 ms后發(fā)生第五次拉弧。由于拉弧間隔很短、電弧自身能量很高，因此形成的電弧能迅速點燃絕緣層最初熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，并引燃絕緣層。

圖5 導(dǎo)線在45 A時擊穿電弧的時間間隔

統(tǒng)計導(dǎo)線在不同過電流下發(fā)生持續(xù)拉弧時的電弧次數(shù)(見表1)。由表1數(shù)據(jù)分析可知：導(dǎo)線發(fā)生持續(xù)拉弧次數(shù)是隨機(jī)的，導(dǎo)線在45 A時發(fā)生持續(xù)拉弧的試驗組數(shù)比其他電流值少，多為一次拉弧；當(dāng)I≥48 A時，導(dǎo)線發(fā)生持續(xù)拉弧的現(xiàn)象增多，在63 A時所有試驗中都發(fā)生了持續(xù)拉弧現(xiàn)象；在同一電流下一組試驗中導(dǎo)線發(fā)生持續(xù)拉弧的次數(shù)最多達(dá)到13次，分別出現(xiàn)在54和63 A。

表1 導(dǎo)線發(fā)生短路故障時的拉弧次數(shù)

2.4 導(dǎo)線短路熔痕組織形貌特征

圖6為試驗中導(dǎo)線過電流誘發(fā)短路故障產(chǎn)生的線芯熔痕。從圖6可以看出，因?qū)Ь€發(fā)生持續(xù)短路擊穿現(xiàn)象，線芯多處出現(xiàn)熔斷，同時產(chǎn)生多個線端熔痕和電弧熔珠。線端熔痕宏觀形貌主要可分為圓珠狀、尖狀和斷口狀，部分線芯上會出現(xiàn)小結(jié)痂痕，是典型的短路電弧作用熔痕。電弧熔珠多為半球狀，同時在產(chǎn)生過程中多個熔珠會粘連在一起，形成不規(guī)則狀。導(dǎo)線在發(fā)生間歇性拉弧時，可能會產(chǎn)生多個熔斷點，因此也會收集到一小段線芯熔痕。在實際火災(zāi)現(xiàn)場，調(diào)查人員?？梢蕴崛〉酱罅繉?dǎo)線線芯熔痕和電弧熔珠，但從試驗可以看出，并不是所有熔痕都可能引發(fā)火災(zāi)，因此在根據(jù)熔痕特征認(rèn)定起火原因時，還應(yīng)結(jié)合實際火場情況和其他痕跡證據(jù)。

圖6 過電流誘發(fā)短路故障產(chǎn)生的線芯熔痕

對收集到的線端熔痕和熔珠的金相組織進(jìn)行觀察分析，得到兩者的典型金相組織特征，如圖7、圖8所示。圖7中導(dǎo)線線端熔痕的晶粒組織主要為粗大的柱狀晶，與本體組織之間有較明顯的分界線，具有指向本體的明顯方向性。圖8為電弧熔珠的兩種典型金相組織。圖8(a)中，熔珠的晶粒主要為樹枝晶，晶體結(jié)構(gòu)緊密而有序地排列，具有明顯的方向性，孔洞數(shù)量較少且尺寸較小。圖8(b)中，熔珠晶粒為等軸晶，孔洞數(shù)量明顯增多，尺寸有所增大，形狀較圓。兩種金相組織類型存在明顯不同，但這兩種電弧熔珠是在同一過電流條件下產(chǎn)生的，因此在實際物證鑒定工作中遇到此種情況時，并不能以此為依據(jù)認(rèn)定電氣線路發(fā)生的短路類型。

圖7 線端電弧熔痕金相組織

圖8 電弧熔珠金相組織

3 結(jié)論

通過對過電流誘發(fā)通電導(dǎo)線短路故障進(jìn)行試驗研究，得出如下結(jié)論：(1)當(dāng)過電流持續(xù)作用于導(dǎo)線時，線芯會持續(xù)發(fā)熱，熱量由內(nèi)及外作用于絕緣層，內(nèi)部絕緣層最先發(fā)生熱解反應(yīng)，外部絕緣層經(jīng)過起泡、冒煙、炭化后，導(dǎo)線會發(fā)生短路擊穿現(xiàn)象，并出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。(2)過電流誘發(fā)導(dǎo)線的初次短路時間與電流值之間存在良好的指數(shù)遞減關(guān)系，最長初次短路時間出現(xiàn)在45 A時，為1 796 s，最短初次短路時間出現(xiàn)在66 A時，為46 s。(3)過電流導(dǎo)線在發(fā)生初次擊穿后，導(dǎo)線會出現(xiàn)向電源側(cè)移動的間歇性持續(xù)拉弧現(xiàn)象，在45 A時多為一次拉弧，I≥48 A時發(fā)生持續(xù)拉弧的試驗組數(shù)增多，在54和63 A的同組試驗中持續(xù)拉弧次數(shù)最多可達(dá)到13次。(4)過電流誘發(fā)導(dǎo)線短路后，線芯受電弧作用會形成線端熔痕和電弧熔珠，線端熔痕的金相組織主要為粗大的柱狀晶，同種條件下產(chǎn)生的電弧熔珠存在不同金相組織特征，多為樹枝晶和等軸晶。