張宏亮

(臨汾市公安消防支隊(duì)，山西臨汾 041000)

銅鋁導(dǎo)線搭接處銅導(dǎo)線形貌和成分分析

張宏亮

(臨汾市公安消防支隊(duì)，山西臨汾 041000)

利用KYKY－2800B型掃描電子顯微鏡，對(duì)實(shí)驗(yàn)制得的各種模擬銅、鋁導(dǎo)線搭接事故的銅導(dǎo)線痕跡進(jìn)行微觀形貌特征的觀察和分析，利用EDS2100 X射線能譜儀對(duì)試樣表面進(jìn)行成分分析?？偨Y(jié)出其微觀形貌和成分的差異及其形成原因，為識(shí)別，分析銅、鋁導(dǎo)線搭接痕跡并客觀地認(rèn)定火災(zāi)原因提供參考。

銅鋁導(dǎo)線;搭按處;成份分析

電力線路的功能是傳輸和分配電能，常用的架空線分銅導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線。由于鋁的資源比較豐富，價(jià)格又比較便宜，其比重小(鋁為2.7 t/m3，銅為8.89 t/m3)，在運(yùn)輸和敷設(shè)上比較便利，所以以往除特殊要求和超高壓電纜使用銅芯電纜之外，多采用鋁導(dǎo)線和鋁芯電纜，母線也多采用鋁母線。但是，銅導(dǎo)體具有更多的優(yōu)點(diǎn)，如:機(jī)械強(qiáng)度大，抗腐蝕性高，宜于加工焊接等。特別是銅導(dǎo)體的導(dǎo)電性好，除純銀外，銅的電導(dǎo)率最高，鋁的電導(dǎo)率僅為銅的62%。所以隨著城市電力網(wǎng)的迅速發(fā)展，主干線路的負(fù)荷越來越大，銅母線和銅芯電纜便越來越受到青睞，這就不可避免地出現(xiàn)了銅、鋁導(dǎo)線連接問題，本文其接觸點(diǎn)的銅導(dǎo)線痕跡列入研究范圍。

在對(duì)此類火災(zāi)事故的現(xiàn)場(chǎng)勘察中，火調(diào)人員常常能夠提取到電氣線路的殘留物。因此，分析、鑒定這些殘留物的形成機(jī)理和過程，將為認(rèn)定火災(zāi)原因提供證據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 所用儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用恒溫加熱設(shè)備為:SRJX－4－9箱式電阻爐，模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的熱輻射作用。實(shí)驗(yàn)采用普通汽油噴燈模擬火場(chǎng)中火焰灼燒作用。實(shí)驗(yàn)采用KYKY2800型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行微觀形貌分析。實(shí)驗(yàn)采用EDS2100 X射線能譜儀對(duì)試樣表面進(jìn)行成分分析。另外，還有IDGC－4/0.6調(diào)壓器、BXG－160型電焊機(jī)。實(shí)驗(yàn)材料選用的是2.5 mm2單芯聚氯乙烯絕緣銅導(dǎo)線和2.5 mm2單芯聚氯乙烯絕緣鋁導(dǎo)線。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)銅、鋁搭接的導(dǎo)線利用電焊機(jī)電弧模擬短路大電流(I=140 A)制備一次短路熔痕。對(duì)銅、鋁搭接的導(dǎo)線利用汽油噴燈、調(diào)壓器(U=220 V)模擬制備二次短路熔痕。把銅、鋁搭接的導(dǎo)線直接連在BXG－160形電焊機(jī)兩端，通過IDGC－4/0.6調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓來設(shè)定電路中的電流，以制備過負(fù)荷樣品。在通電情況下使銅、鋁導(dǎo)線反復(fù)接觸，模擬導(dǎo)線發(fā)生接觸不良。把銅、鋁搭接導(dǎo)線放進(jìn)箱式電阻爐內(nèi)15 min，溫度分別取500℃、600℃、700℃，模擬火場(chǎng)火燒，制備火燒熔痕。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 銅導(dǎo)線在正常狀況下的微觀形貌圖

銅導(dǎo)線是采用99%以上的純銅經(jīng)過冷拔得到的。銅導(dǎo)線表面平滑，有加工方向性。銅導(dǎo)線在正常使用狀態(tài)下這種加工方向性可以保留下來，而在過負(fù)荷，接觸不良，短路等情況下，金屬表面形貌將發(fā)生變化。

2.2 短路熔痕

電氣線路上，由于某種原因相接或相碰，產(chǎn)生電流突然增大的現(xiàn)象叫短路。由于短路時(shí)的瞬間溫度可達(dá)5 000℃以上，而銅的熔點(diǎn)為1 083℃，鋁的熔點(diǎn)為660℃。因此，短路強(qiáng)烈的電弧高溫作用可使銅、鋁導(dǎo)線局部金屬迅速融化、氣化，甚至造成導(dǎo)線金屬熔滴的飛濺，從而產(chǎn)生短路熔化痕跡。

2.2.1 一次短路痕跡通過電焊機(jī)電弧模擬短路大電流制備的一次短路痕跡多為凹坑狀熔痕。發(fā)生短路時(shí)很難避免粘連現(xiàn)象，所以得到的痕跡為斷面痕跡。通過掃描電子顯微鏡對(duì)銅、鋁導(dǎo)線搭接處銅導(dǎo)線一次短路痕跡的觀察發(fā)現(xiàn)，痕跡呈卵形花樣，有氣孔。與銅導(dǎo)線一次短路痕跡相比，銅導(dǎo)線一次短路痕跡氣孔均勻細(xì)密，比較規(guī)則，呈貝殼狀痕跡;而與鋁搭接的銅導(dǎo)線痕跡氣孔大而疏，分散均勻，呈圓形且有光澤。

用X射線能譜儀分析銅、鋁搭接導(dǎo)線的一次短路痕跡，發(fā)現(xiàn)銅導(dǎo)線上含有鋁的成分。掃描結(jié)果:在所觀察區(qū)域銅分布大量而均勻，鋁分布廣泛且相對(duì)集中。

一次短路熔痕是在環(huán)境溫度條件下，電路中負(fù)載發(fā)生故障，導(dǎo)線之間相碰或由于導(dǎo)線絕緣層破損，導(dǎo)線和金屬套管相碰，電路發(fā)生短路，這時(shí)電路中電流強(qiáng)度瞬間上升，在極短的時(shí)間內(nèi)短路造成金屬熔化的爆炸性電弧并向四周噴射灼熱的熔滴。由于鋁的熔點(diǎn)比銅低很多，在瞬間的高溫中鋁比銅熔化的程度大，所以在銅導(dǎo)線的痕跡上濺有大量鋁的成分。一次短路熔痕形成的環(huán)境有兩個(gè)特點(diǎn):一是空氣中氧濃度較高，為21%左右，存在空氣的溶解，特別是氧氣的溶解現(xiàn)象的產(chǎn)生;二是環(huán)境溫度較低，一般不超過70℃。這樣短路熔痕只經(jīng)過瞬間高溫，溶入的氣體量較少。但是，冷卻速度快，過冷度大，凝固速率大，這些氣體來不及排出體外而留于熔痕內(nèi)，因此氣孔分散均勻，內(nèi)壁光滑。由于有鋁的存在，使形成的氣孔比銅導(dǎo)線一次短路的氣孔大且圓。

2.2.2 二次短路熔痕通過掃描電子顯微鏡對(duì)銅、鋁導(dǎo)線搭接處銅導(dǎo)線二次短路痕跡的觀察發(fā)現(xiàn):痕跡外表面粗糙，有明顯的凹凸差別;氣孔大小不一，數(shù)量較多，有的大氣孔內(nèi)有小氣孔。與銅導(dǎo)線二次短路痕跡相比，銅導(dǎo)線二次短路痕跡氣孔邊緣坡度較緩，有平行花紋;而與鋁搭接的銅導(dǎo)線痕跡的氣孔較深，類似地質(zhì)中的冰臼痕跡。

用X射線能譜儀分析銅、鋁搭接導(dǎo)線的二次短路痕跡，發(fā)現(xiàn)銅導(dǎo)線上除了鋁還含有氯、鈣、氧等成分。面掃描結(jié)果:在所觀察區(qū)域銅分布均勻，鋁含量比一次短路少，除此之外還有少量的氯和微量的鈣。

二次短路熔痕是導(dǎo)線在火災(zāi)中短路形成，又稱火燒短路熔痕。由于現(xiàn)場(chǎng)溫度高，熔珠冷卻速度慢，過冷度小，凝固時(shí)間長，雖然逸出的氣體較多，但火災(zāi)環(huán)境中氧濃度較低，一般為14%～21%，同時(shí)還存在大量的灰塵、雜質(zhì)和各種燃燒產(chǎn)物，以及受火災(zāi)熱作用而蒸發(fā)的水蒸氣等溶入的氣體量也就較多，因而，二次短路熔痕內(nèi)氣孔大小不均勻，并且氣孔數(shù)目較多。而二次短路熔痕處在高溫的時(shí)間比一次短路熔痕的時(shí)間長，所以氣孔表面比較粗糙。同一次短路的原因一樣，二次短路的熔痕中也含有鋁成分。氯和鈣是絕緣層中的成分。

2.3 過負(fù)荷痕跡

通過掃描電子顯微鏡對(duì)銅、鋁導(dǎo)線搭接處銅導(dǎo)線過負(fù)荷痕跡的觀察發(fā)現(xiàn):痕跡表面粗糙，無明顯的凹凸差別，無明顯的氣孔;有小熔區(qū)，在小熔區(qū)內(nèi)殘存有光滑和光亮區(qū)域。與銅導(dǎo)線的過負(fù)荷痕跡并無明顯差別。

用X射線能譜儀分析銅、鋁搭接導(dǎo)線的過負(fù)荷痕跡，發(fā)現(xiàn)銅導(dǎo)線上只含有微量的鋁。掃描結(jié)果:在所觀察區(qū)域銅分布均勻，有微量的鋁。

導(dǎo)線截面與用電設(shè)備功率不匹配，用電設(shè)備故障以及保險(xiǎn)裝置失效情況下的長時(shí)間短路等都可能造導(dǎo)線的過負(fù)荷。導(dǎo)線過負(fù)荷痕跡的形成主要與過負(fù)荷電流和通電時(shí)間有關(guān)。當(dāng)導(dǎo)線通過一倍半安全電流時(shí)，手感發(fā)燙，絕緣層膨脹松弛但表面較為完好;當(dāng)通過二倍安全電流時(shí)，線芯溫度約300℃，可聞到焦味，局部冒煙，絕緣層起泡;當(dāng)通過三倍額定電流時(shí)，銅導(dǎo)線溫度超過800℃，鋁線溫度超過600℃，接近鋁的熔點(diǎn)。所以，銅、鋁導(dǎo)線搭接的線路發(fā)生過負(fù)荷，鋁線部分先熔斷，斷口多呈圓狀熔珠，沒有光澤，表面粗糙。而銅導(dǎo)線部分的溫度要低于熔點(diǎn)，所以銅導(dǎo)線線芯在外觀上無明顯熔痕。過負(fù)荷沒有像短路那樣的瞬間電弧形成的高溫，只有微量的鋁附著在銅上。

2.4 接觸不良痕跡

觸不良痕跡微觀形貌200X通過掃描電子顯微鏡對(duì)銅、鋁導(dǎo)線搭接處銅導(dǎo)線接觸不良痕跡的觀察發(fā)現(xiàn):痕跡表面粗糙，凹凸不平，有顆粒狀痕跡;無明顯的氣孔，有熔化痕跡。

用X射線能譜儀分析銅、鋁搭接導(dǎo)線的接觸不良痕跡，發(fā)現(xiàn)銅導(dǎo)線上含有大量的鋁。面掃描結(jié)果:在所觀察區(qū)域銅分布均勻且少量，鋁分布量較大。

銅、鋁導(dǎo)線搭接線路發(fā)生事故最常見的原因就是銅鋁接頭接觸不良。由于銅鋁接頭處電化腐蝕和金屬蠕變等原因，使接頭處松動(dòng)，接觸不良引起接觸電阻過大而產(chǎn)生過熱引起火災(zāi)。如銅、鋁導(dǎo)線接頭松動(dòng)，當(dāng)受到振動(dòng)時(shí)就會(huì)瞬間接觸或斷開，這時(shí)在接頭處會(huì)出現(xiàn)連續(xù)打火現(xiàn)象，而且溫度很快升高，有時(shí)甚至在幾分鐘內(nèi)就會(huì)導(dǎo)致在接頭部分金屬熔化。所以在銅鋁接頭處的接觸不良痕跡多為麻坑和電火花燒蝕痕。痕跡表面粗糙，凹凸不平，有顆粒狀痕跡和熔化痕跡。因?yàn)樵诮宇^處多次打火，鋁的熔點(diǎn)較低，所以在銅表面上覆蓋有大量的鋁。

2.5 火燒痕跡

通過掃描電子顯微鏡對(duì)銅、鋁導(dǎo)線搭接處銅導(dǎo)線火燒痕跡的觀察發(fā)現(xiàn):痕跡表面無明顯變化，表面平整，有少量塊狀物，無氣孔。高倍像下可以看到熔化痕跡。

用X射線能譜儀分析銅、鋁搭接導(dǎo)線的火燒痕跡，發(fā)現(xiàn)銅導(dǎo)線上只含有少量的鋁。掃描結(jié)果:在所觀察區(qū)域銅分布大量而均勻，鋁集中分布在幾個(gè)點(diǎn)上。

火燒熔痕是在火災(zāi)環(huán)境中，被火災(zāi)高溫加熱逐步升高超過其熔點(diǎn)時(shí)熔化形成的。通常在火災(zāi)熱作用下熔化的痕跡，其作用時(shí)間、溫度均與短路不同，具有溫度持續(xù)時(shí)間長，火燒范圍大的特點(diǎn)，其熔化溫度低于短路電弧溫度，與短路熔痕的本質(zhì)區(qū)別在于它是在不帶電的條件下形成的。當(dāng)溫度升高，鋁導(dǎo)線首先開始熔化，之后，如果溫度到達(dá)銅的熔點(diǎn)，銅導(dǎo)線才開始熔化。因?yàn)榛馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度較高，因此，冷卻速度相當(dāng)緩慢，凝固時(shí)間較長，這樣，導(dǎo)線熔化時(shí)，溶解的氣體有較充分的逸出時(shí)間，所以火燒熔痕沒有氣孔且表面較平整。銅和鋁在火災(zāi)情況下，隨著溫度的升高達(dá)到鋁的熔點(diǎn)時(shí)，鋁導(dǎo)線開始熔化，滴落，并不會(huì)粘連在銅導(dǎo)線上。溫度繼續(xù)升高超過銅的熔點(diǎn)時(shí)，鋁已經(jīng)與銅分離。所以，由于火燒溫度沒有短路那么高，升溫相對(duì)緩慢，而且鋁和銅不在同一時(shí)間熔化，所以在銅導(dǎo)線上只有少量的鋁。

2.6 熔痕的微觀形貌特征和能譜分析結(jié)果比較(見表1)

表1總結(jié)了各種熔痕的微觀形貌特征和能譜分析結(jié)果。

表1 各種熔痕的微觀形貌特征和能譜分析結(jié)果比較

3 結(jié)論

通過上述分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)銅、鋁導(dǎo)線搭接處不同情況下銅導(dǎo)線熔痕的微觀形貌特征和成分具有一定的差異。采用掃描電子顯微鏡/能譜儀分析技術(shù)可以鑒定銅導(dǎo)線熔痕微觀形貌和成分的差異，直觀快捷地識(shí)別熔痕的種類。

(2)銅導(dǎo)線的短路熔痕與銅、鋁導(dǎo)線搭接處的銅導(dǎo)線短路熔痕在微觀形貌上有差別。一次短路痕跡:銅導(dǎo)線一次短路痕跡氣孔均勻細(xì)密，比較規(guī)則，呈貝殼狀痕跡;而與鋁搭接的銅導(dǎo)線痕跡氣孔大而疏，分散均勻，呈圓形且有光澤。二次短路痕跡:銅導(dǎo)線二次短路痕跡氣孔邊緣坡度較緩，有平行花紋;而與鋁搭接的銅導(dǎo)線痕跡的氣孔較深，類似地質(zhì)中的冰臼痕跡。

(3)銅、鋁導(dǎo)線搭接處銅導(dǎo)線熔痕上含有鋁的成分，且不同痕跡鋁的含量有差別。接觸不良痕跡表面含有大量鋁成分;短路痕跡鋁成分較多;火燒痕跡鋁成分含量較少;過負(fù)荷痕跡只有微量鋁成分。

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2011-03-31

張宏亮(1978—)，男，山西五臺(tái)人，工程師。