供稿|魯旭

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過電流在日常生活中是一種比較常見的電氣故障形式，過電流的危害性主要體現(xiàn)在過電流會導致電氣線路整體發(fā)熱，當溫度升高到一定值時會引發(fā)線路絕緣層及周圍可燃物，進而引發(fā)火災。本文建立了一種適合過電流銅導線電阻率的測量方法，并對方法的科學性和可行性進行了驗證分析。過電流銅導線電阻率測量方法可以在火災事故調(diào)查中為調(diào)查人員判定火災原因提供有效的認定依據(jù)。

2023–01–17，某地一養(yǎng)豬場發(fā)生火災。火災造成養(yǎng)豬場豬舍過火，燒毀空氣能取暖設備及部分內(nèi)裝修，火災直接財產(chǎn)損失為12 萬元。經(jīng)火災事故調(diào)查人員調(diào)查后認定起火原因為導線過電流導致，火災現(xiàn)場如圖1 所示。

圖 1 豬舍火災燒損情況：（a）電氣線路；（b）電氣控制柜

圖 2 銅導線金相組織：（a）原始導線；（b）過電流導線

表 1 不同過電流時間下銅導線表面銅質(zhì)量分數(shù)變化

表 2 不同過電流時間試樣電阻率

圖 3 四線制（開爾文接法）等效電路圖

圖 4 四線制（開爾文接法）接線圖

圖 5 H2515 型直流電阻測試儀夾具：（a）實物圖；（b）示意圖

圖 6 不同過電流時間試樣電阻率均值散點圖

關于過電流痕跡物證的分析目前主要采用的是金相分析法。由于過電流銅導線的金相組織與火燒銅導線極為相似，所以在實際火災事故調(diào)查中需要結合現(xiàn)場情況綜合分析，往往會出現(xiàn)認定依據(jù)不充分的情況。筆者通過實驗發(fā)現(xiàn)過電流會導致銅導線整體發(fā)熱，利用金相顯微鏡對銅導線內(nèi)部金相組織進行分析，可以發(fā)現(xiàn)溫度的升高會導致銅導線內(nèi)部金相組織變成較大的等軸晶，如圖2 所示。

利用掃描電鏡和能譜儀對銅導線表面物質(zhì)成分進行分析，發(fā)現(xiàn)溫度升高會導致銅導線表面物質(zhì)成分發(fā)生變化，變化情況見表1。

金相組織和表面銅質(zhì)量分數(shù)變化都會導致銅導線電阻率發(fā)生改變。下面建立針對銅導線電阻率的測量方法，進一步研究銅導線電阻率的具體變化情況。

電阻率測量裝置及測量原理

電阻率測量裝置

目前電阻率測量儀器的類型主要有直讀式和推導式兩種，兩種儀器的原理相同；區(qū)別在于直讀式儀器可以通過規(guī)定待測導體長度直接得出其電阻率，推導式儀器則需要通過電阻率定義式將測得電阻換算成電阻率。二者測量精度相同，但直讀式儀器的價格要遠遠高于推導式儀器。因此，本研究選擇推導式儀器。

QJ57 型直流雙臂電橋和TH2515 型直流電阻測試儀均可以對金屬導線電阻率進行測量，兩種儀器測量原理相同，且測量精度均符合要求[1?3]。對比分析，TH2515 型直流電阻測試儀具備以下優(yōu)點：

（1）準確性更好。QJ57 型直流雙臂電橋采用的是三線制接線方式，TH2515 型直流電阻測試儀采用的是四線制接線方式。三線制和四線制都可以在一定程度上消除引線電阻對測量產(chǎn)生的影響，但是三線制要求引線電阻要遠遠小于橋臂電阻，且橋臂電阻的大小會直接影響到電阻測量的準確性，而四線制對引線電阻沒有要求，測量準確性更好[4]。

（2）操作簡單，方便攜帶，適合在火災現(xiàn)場使用。QJ57 型直流雙臂電橋操作復雜，隨機誤差較大，儀器一體化程度較低，不方便攜帶。而TH2515型直流電阻測試儀操作簡單，可重復多次測量，有效減小了隨機誤差，儀器一體化程度較高，方便攜帶。

綜上所述，選擇TH2515 型直流電阻測試儀。TH2515 型直流電阻測試儀由常州同惠電子股份有限公司制造，便攜且易操作，具有較高的測量精度，在“0~20 mΩ”檔位的測量精度可達0.01%，符合測量要求。在數(shù)據(jù)測量方面，提供了3 種測量模式，F(xiàn)AST 模式（快速測量，每秒讀取50 次）、MED 模式（中速測量，每秒讀取6 次）、SLOW 模式（慢速測量，每秒讀取2 次），其中SLOW 模式的測量精度最高。測得電阻后，通過相關物理公式將其換算成電阻率即可。

測量原理

TH2515 型直流電阻測試儀的基本原理就是根據(jù)歐姆定律對待測導線電阻進行測量，其采用的接線方式是四線制。

四線制接線方式也叫開爾文接法[5]。四線制的等效電路如圖3 所示。圖中r1、r2、r3和r4是引線電阻。向待測電阻Rt施加激勵電流I，測得電勢V3、V4，r3、r4接入高輸入阻抗電路，使得I3=0，I4=0，因此V4?V3等于電阻兩端電壓，電阻值Rt=（V4?V3）/I。對于每個測試點都有一條激勵線和一條檢測線，二者嚴格分開，各自構成獨立回路；同時要求檢測線必須接到一個有極高輸入阻抗的測試回路上，使流過檢測線的電流極小。r1和r2在恒流源回路，不會引入誤差。r3和r4則在高輸入阻抗的儀器放大器的回路中，也不會帶來誤差。

四線制接線圖如圖4 所示，r1、r2、r3、r4代表引線電阻，其中r1和r4位于恒流電路，對測量電流不會產(chǎn)生影響；r2和r3位于運算放大器所在電路，由運算放大器虛斷特性可知電路中并沒有電流，所以r2和r3對測量電壓不會產(chǎn)生影響。因此待測電阻Rt兩端電壓V3=V1、V4=V2，運算放大器的放大倍數(shù)為Ad。根據(jù)上述分析可得：

由式（1）和式（2）可以看出，引線電阻對待測電阻的測量沒有影響。測得電阻后，根據(jù)歐姆定律進行相關換算即可得出待測試樣電阻率。

TH2515 型直流電阻測試儀通過夾具實現(xiàn)四線制接線方式，進而對待測導線電阻進行測量，夾具如圖5（a）所示。夾具有4 個觸頭，分別由檢測線和激勵線引出。各接頭功能如圖5（b）中SENSE HI和SENSE LO 代表檢測線的兩端，DRIVE HI 和DRIVE LO 代表激勵線的兩端。

過電流銅導線電阻率測量方法的操作步驟

（1）選擇火場中疑似過電流導線痕跡，盡量避免選擇受火災嚴重破壞的導線（在此之前導線未發(fā)生過電流故障），應當選擇仍保持導線基本形態(tài)的痕跡，截取待測導線長度不小于15 cm。

（2）清除導線表面易剝落的殘留物，可以用超聲波清洗機進行清洗。

（3）選擇相同型號未發(fā)生破壞的導線作為空白對照。

（4）選擇TH2515 型直流電阻測試儀的“0~20 mΩ”檔位進行測量，實際測量長度為L（L取10 cm），測量前對儀器進行預熱（時間設定為30 min）和調(diào)零。

（5）選擇“SLOW”檔位進行數(shù)據(jù)讀取，每秒讀取數(shù)據(jù)2 次，每次測量時間為10 s，可得20 個測量數(shù)據(jù)。

（6）求這20 個測量數(shù)據(jù)的平均值，將其作為待測試樣的電阻R。

（7）根據(jù)導線的具體型號確定導線的橫截面積S。

（8）根據(jù)導體電阻率的計算公式將電阻R換算成電阻率ρ。電阻率的計算公式如下：

式中：ρ為導體的電阻率，Ω·m；R為導體的電阻，Ω；S為導體的（視為圓柱體）橫截面積，m2；L為導體的長度，m。

（9）將測得過電流導線電阻率與空白導線試樣電阻率對比，確定導線是否發(fā)生過電流故障。

方法可行性

試樣制備

為驗證過電流銅導線電阻率測量方法的可行性，選取正泰BV2.5 型銅導線作為實驗材料，模擬過電流故障發(fā)生條件制備過電流導線試樣，用過電流銅導線電阻率測量方法測量、計算并分析不同過電流條件導線電阻率變化情況。

（1）考慮BV2.5 型銅導線的額定電流為34 A，設置過電流值為2 倍額定電流，模擬日常生活中常見的過電流現(xiàn)象。

（2）設置電流值為68 A 條件下過電流時間分別為10、20、30 和60 min。將未發(fā)生過電流故障的原始導線作為空白對照組，每個過電流條件制備6 個試樣（對應編號1#~6#）。采用控制變量法研究過電流時間對銅導線電阻率的影響。

試樣電阻率測量與分析

對電流值68 A 條件下的不同過電流時間銅導線試樣電阻率進行測量，結果見表2。

由表2 可知，當電流值設定為68 A 時，與未發(fā)生過電流故障的原始銅導線相比過電流銅導線試樣電阻率增大，且隨著過電流時間的延長，過電流銅導線電阻率增大。電阻率變化幅度在0.52%~3.22%之間。

對表2 中電阻率均值數(shù)據(jù)進行分析，可得如圖6 所示散點圖。

由散點圖可以看出，電流值為68 A 時，隨著過電流時間的增加，試樣電阻率呈增大趨勢，過電流時間與試樣電阻率之間近似存在一元線性關系。進一步對電阻率均值進行回歸分析，可得回歸方程：

相關系數(shù)R2可達0.999，回歸效果很好?；貧w方程表明在電流值為68 A 時，隨著過電流時間的延長，過電流銅導線電阻率均勻增大。

結論

本文初步建立了過電流銅導線電阻率測量方法，規(guī)定了導線過電流痕跡的提取、處理與測量方法。模擬過電流故障制備了不同過電流條件的銅導線試樣，應用過電流銅導線電阻率測量方法對試樣進行測量與分析，驗證了方法的可行性與科學性。在一起實際火災案例中應用過電流銅導線電阻率識別方法進行分析，由分析結果可見該方法在實際火災事故調(diào)查中具有較強的指導意義和實用性。