铝导线过负荷痕迹试验研究

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摘 要：本文主要利用火灾痕迹综合实验台制备铝导线过负荷样品，对试验制得的各种样品进行宏观和微观形貌特征的观察和分析。利用扫描电镜观察、分析铝导线线芯表面形貌特征，可以鉴别其是否过负荷，是一种行之有效的方法。

关键词：铝导线；过负荷；宏观形貌；微观形貌；扫描电子显微

一、引言

过负荷主要是由电气设备或导线电流超过其额定电流造成的[1]。电器设备或导线的绝缘材料大都是可燃有机绝缘材料，只有少数属无机材料，过负荷使导线中的电能转化为热能，当导体和绝缘物局部过热，达到一定温度时，遇到可燃物就会发生火灾。根据近几年的火灾统计资料，我国城乡一些旧式住宅中的电气线路依然使用铝导线，并在初期扑灭的火灾中，铝导线熔痕保留完好[2]。

本文主要利用肉眼和KYKY-2800B型扫描电子显微镜，对试验制得的铝导线过负荷样品进行宏观和微观的鉴别，为客观地认定过负荷火灾原因提供参考依据。

二、试验部分

（一）主要仪器设备及性能指标

（1）KYKY-2800B型扫描电子显微镜（SEM）（北京中科科仪公司），其主要性能指标：分辨率：6 nm（钨丝）；放大倍数：15 ～ 250000 浚.D 12 mm）；加速电压：0 ～ 30 kV。

（2）火灾痕迹综合实验台：频率50 Hz，输出功率380 V。

（3）DM-6266 钳形电流表。

（4）TES-1313点温计，量程范围（-150 ℃～1370 ℃）。

（二）试验材料

2.5 mm2 单芯聚氯乙烯绝缘铝导线。

（三）试验方法

1、未通电样品的制备

截取一段未使用铝导线，除去表层绝缘层，用钳子截取约1 cm长的线芯，作为扫描电镜微观观察样品。

2、过负荷样品的制备

（1）制备铝导线通过1倍安全电流样品。在室温（25℃）下，把铝导线直接连在电焊机两端，通过调压器调节电压来设定电路中的电流，然后用钳形电流表测得其通过25 A电流，持续10 min通电，并用点温计每隔1 min测温、记录。

（2）在同样试验条件下，制备铝导线通过2倍、2.5倍、3倍安全电流样品，同时获取铝导线通过3倍安全电流断面样品。

（四）试验样品宏观和微观的观察和记录

对铝导线绝缘层及线芯表面的外观特征（色泽、形状、表面形貌等）进行宏观观察比较，采用数码拍照；再分别对线芯的表面和断面，进行扫描电镜微观的观察、分析和拍照。

三、试验结果

2.5 mm2单芯聚氯乙烯绝缘铝导线流过1倍安全电流时，线芯相对稳定温度约63 ℃[3]，安全电流每增加一倍，线芯温度约升高一倍。

（一）铝导线过负荷温度特性

1、通过1.5倍安全电流下温度变化规律

当导线通过1.5倍安全电流时，外层发烫。绝缘层膨胀变软并与线芯松离，轻触即可滑动，但绝缘层表面较为完好。由表3.1看出，通电5 min内，温度稳步上升，6 min之后，相对趋于稳定，但小幅度升温，10 min铝线聚氯乙烯绝缘层的表面温度达到131 ℃。铝导线1.5倍安全电流下温度随时间变化，如表3.1所示。

2、通过2倍安全电流下温度变化规律

当通过2倍安全电流时，刚通电3 min后可闻到焦味，局部开始冒烟，有聚氯乙烯分解气体臭味，之后绝缘层起泡，熔软下垂。10 min内铝线聚氯乙烯绝缘层的表面温度总体成上升趋势，温度达到 182 ℃。铝导线2倍安全电流下温度随时间变化，如表3.2所示。

3、通过2.5倍安全电流下温度变化规律

当通过2.5倍安全电流时，由于聚氯乙烯燃点是270 ℃，部分绝缘层2 min内开始熔融滴落、有明显的明火燃起，开始慢慢内焦、绝缘层严重破坏，线芯，7 min后线芯稳定升温，温度达到400 ℃以上，测得10 min铝线线芯温度到达472 ℃。铝导线2.5倍安全电流下温度随时间变化，如表3.3所示。

4、通过3倍安全电流下温度变化规律

当通过3倍安全电流时，聚氯乙烯绝缘层0.5 min内迅速熔融滴落、迅速起火、内焦、完全严重破坏，线芯、变软。不到1 min的时间，线芯温度达到铝熔点（660.4 ℃），导线在某处熔断。

（二）铝导线过负荷下火灾危险性

铝导线分别通过1.5倍、2倍、2.5倍和3倍安全电流时，用点温计测得10 min后温度分别达到131 ℃、182 ℃、472 ℃、直至达到熔点（660 ℃），电流过大时，聚氯乙烯绝缘层达到燃点起火，具有很高的火灾危险性。而一般可燃物如纸张的燃点在130～230 ℃；麦草的燃点为200 ℃；棉花的燃点为150～210 ℃；聚苯乙烯泡沫塑料，虽保温效果好，但燃点很低，稍遇明火或受热后极易发生燃烧，并发生大量有刺激性毒气，燃烧速度极快，而且产生熔滴现象，使火势扩大，不易扑救。铝导线在2.5倍安全电流下的引燃情况，表明在此状态下，温度达到400 ℃左右，已超过纸张的燃点，导线附近的纸张发黑、发黄，靠近线芯部分形成明显的炭化区，并纸张边缘打卷。

四、铝导线的原始形貌特征

（一）宏观形貌特征

将未通电的铝导线认为是原始状态，其线芯具有银白色金属光泽[4]，表面相对光滑，红色光滑塑料绝缘层与线芯紧紧的抱紧在一起。

（二）微观形貌特征

未通电的铝导线线芯表面具有明显的纵向（沿导线长度方向）呈沟槽状加工划痕，表面粗糙，有小坑。

五、铝导线过负荷形貌特征

（一）通过1倍安全电流

1、宏观形貌特征：线芯的相对稳定温度约63 ℃，表面特征基本与未通电一样。

2、微观形貌特征：通电温度影响不大，与原始形貌基本一样。

（二） 通过2倍安全电流

1、宏观形貌特征：绝缘层松软、起泡，开始内焦，形成黑色炭化区，沿整根导线均匀分布。

2、微观形貌特征：线芯表面具有明显的纵向（沿导线长度方向）呈沟槽状加工划痕，有小坑，表面相对平整。

（三） 通过2.5倍安全电流

1、宏观形貌特征：绝缘层熔融滴落、有明显的明火燃起，内焦、绝缘层严重破坏，线芯、变软。

2、微观形貌特征：线芯表面具有明显的纵向（沿导线长度方向）呈沟槽状加工划痕趋于平整，有小坑，出现氧化物颗粒。

（四）通过3倍安全电流

1、宏观形貌特征：绝缘层内焦、迅速起火、严重破坏；线芯、变软、熔断；断口多呈圆状熔珠，没有光泽，表面粗糙。

2、微观形貌特征：金属表面熔融，有颗粒状或片状氧化物，无明显的气孔，局部还残存加工划痕。断面形貌似礁石状，有花纹且有块状物[8]，有流淌的熔区，如图3.1～3.2所示。

图3.1 通过3倍电流微观形貌 图3.2 通过3倍电流断面微观形貌

六、结果分析

铝导线过负荷熔痕断面形貌特征：（1）宏观上区别：过负荷使整个导线都被加热，达到熔化温度时，导线多处熔断，形成移位和断节，并断面多呈圆状熔珠，没有光泽，表面粗糙（2）微观上区别：当铝导线通过3倍安全电流时，电能转化为热能，线芯温度达到熔点（660 ℃），最终导致熔断，形成的断面形貌似礁石状，有花纹且有块状物，有流淌的熔区。

七、结论

通过上述分析，可以得出以下结论：

（1）随过负荷电流（1～2.5倍安全电流）的增大，铝导线线芯表面纵向（沿导线长度方向）呈沟槽状的加工划痕趋于平整；过负荷3倍安全电流出现大量颗粒状氧化物。

（2）利用扫描电镜观察，铝导线线芯过负荷形成的断面形貌似礁石状，有花纹且有块状物，有流淌的熔区。分析铝导线线芯表面形貌特征，可以鉴别其是否过负荷，这是一种行之有效的方法。但本研究是模拟实验，与真实火场的温度和时间存在一定的差距，这有待进一步实践检验。

参考文献：

[1]晋传银.浅析家用电器火灾原因及其预防[J].消防科技，1994，（4）.

[2]胡建国，刘义祥.火场中铝导线熔痕的微观形貌分析[J].理化检验-物理分册，2004，（8）.

[3]王希庆，韩宝玉，邸曼.电气火灾现场勘察与鉴定技术指南[M].辽宁：公安部沈阳消防科学研究所，1996.

[4]中国人民共和国公安部消防局.中国消防手册第八卷火灾调查消防刑事案件[M].上海：上海科学技术出版社，2006.

作者简介：顾卫娟（1984-）女，江苏启东人，海口市消防支队秀英大队，从事消防监督及火灾调查工作。