抓住火災(zāi)的真兇——過電流

2023–01–17，某地一養(yǎng)豬場發(fā)生火災(zāi)?；馂?zāi)造成養(yǎng)豬場豬舍過火，燒毀空氣能取暖設(shè)備及部分內(nèi)裝修，火災(zāi)直接財(cái)產(chǎn)損失為12萬元。經(jīng)火災(zāi)事故調(diào)查人員調(diào)查后認(rèn)定起火原因?yàn)閷?dǎo)線過電流導(dǎo)致，火災(zāi)現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 豬舍火災(zāi)燒損情況：（a）電氣線路；（b）電氣控制柜

關(guān)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(dǎo)線的金相組織與火燒銅導(dǎo)線極為相似，所以在實(shí)際火災(zāi)事故調(diào)查中需要結(jié)合現(xiàn)場情況綜合分析，往往會出現(xiàn)認(rèn)定依據(jù)不充分的情況。筆者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過電流會導(dǎo)致銅導(dǎo)線整體發(fā)熱，利用金相顯微鏡對銅導(dǎo)線內(nèi)部金相組織進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)溫度的升高會導(dǎo)致銅導(dǎo)線內(nèi)部金相組織變成較大的等軸晶，如圖2所示。

圖2 銅導(dǎo)線金相組織：（a）原始導(dǎo)線；（b）過電流導(dǎo)線

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

表1 不同過電流時(shí)間下銅導(dǎo)線表面銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

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

1. 電阻率測量裝置及測量原理

1.1 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(dǎo)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(dǎo)體長度直接得出其電阻率，推導(dǎo)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(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于推導(dǎo)式儀器。因此，本研究選擇推導(dǎo)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(dǎo)線電阻率進(jìn)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(diǎn)：

（1）準(zhǔn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǔn)確性，而四線制對引線電阻沒有要求，測量準(zhǔn)確性更好[4]。

（2）操作簡單，方便攜帶，適合在火災(zāi)現(xiàn)場使用。QJ57型直流雙臂電橋操作復(fù)雜，隨機(jī)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(fù)多次測量，有效減小了隨機(jī)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(dá)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(guān)物理公式將其換算成電阻率即可。

1.2 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(dǎo)線電阻進(jìn)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(lì)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(gè)測試點(diǎn)都有一條激勵(lì)線和一條檢測線，二者嚴(yán)格分開，各自構(gòu)成獨(dú)立回路；同時(shí)要求檢測線必須接到一個(gè)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r*4則在高輸入阻抗的儀器放大器的回路中，也不會帶來誤差。

圖3 四線制（開爾文接法）等效電路圖

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(yùn)算放大器所在電路，由運(yùn)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(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為Ad。根據(jù)上述分析可得：

圖4 四線制（開爾文接法）接線圖

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(jìn)行相關(guān)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(shí)現(xiàn)四線制接線方式，進(jìn)而對待測導(dǎo)線電阻進(jìn)行測量，夾具如圖5（a）所示。夾具有4個(gè)觸頭，分別由檢測線和激勵(lì)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(lì)線的兩端。

圖5 H2515型直流電阻測試儀夾具：（a）實(shí)物圖；（b）示意圖

2. 過電流銅導(dǎo)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(dǎo)線痕跡，盡量避免選擇受火災(zāi)嚴(yán)重破壞的導(dǎo)線（在此之前導(dǎo)線未發(fā)生過電流故障），應(yīng)當(dāng)選擇仍保持導(dǎo)線基本形態(tài)的痕跡，截取待測導(dǎo)線長度不小于15 cm。

（2）清除導(dǎo)線表面易剝落的殘留物，可以用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗。

（3）選擇相同型號未發(fā)生破壞的導(dǎo)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(jìn)行測量，實(shí)際測量長度為L（L取10 cm），測量前對儀器進(jìn)行預(yù)熱（時(shí)間設(shè)定為30 min）和調(diào)零。

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

（6）求這20個(gè)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(dǎo)線的具體型號確定導(dǎo)線的橫截面積S。

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

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

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

3. 方法可行性

3.1 試樣制備

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

（1）考慮BV2.5型銅導(dǎo)線的額定電流為34 A，設(shè)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(shè)置電流值為68 A條件下過電流時(shí)間分別為10、20、30和60 min。將未發(fā)生過電流故障的原始導(dǎo)線作為空白對照組，每個(gè)過電流條件制備6個(gè)試樣（對應(yīng)編號1#~6#）。采用控制變量法研究過電流時(shí)間對銅導(dǎo)線電阻率的影響。

3.2 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(shí)間銅導(dǎo)線試樣電阻率進(jìn)行測量，結(jié)果見表2。

表2 不同過電流時(shí)間試樣電阻率

由表2可知，當(dāng)電流值設(shè)定為68 A時(shí)，與未發(fā)生過電流故障的原始銅導(dǎo)線相比過電流銅導(dǎo)線試樣電阻率增大，且隨著過電流時(shí)間的延長，過電流銅導(dǎo)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(jìn)行分析，可得如圖6所示散點(diǎn)圖。

圖6 不同過電流時(shí)間試樣電阻率均值散點(diǎn)圖

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

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

4. 結(jié)論

本文初步建立了過電流銅導(dǎo)線電阻率測量方法，規(guī)定了導(dǎo)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(dǎo)線試樣，應(yīng)用過電流銅導(dǎo)線電阻率測量方法對試樣進(jìn)行測量與分析，驗(yàn)證了方法的可行性與科學(xué)性。在一起實(shí)際火災(zāi)案例中應(yīng)用過電流銅導(dǎo)線電阻率識別方法進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可見該方法在實(shí)際火災(zāi)事故調(diào)查中具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]張旭俊,李欣,修小云. 直流雙臂電橋原理的再分析. 江西電力,2008,32(6):42
[2]王佑明,張志利,龍勇. 直流雙臂電橋測量低電阻的誤差分析. 電子測量技術(shù),2007(1):154
[3]劉蘭勝,王龍鳳. 銅鋁異種金屬焊接研究現(xiàn)狀及展望. 金屬世界,2023(1):12
[4]周敏,葛興時(shí). 三線制及四線制熱電阻測量方法的探究. 工業(yè)計(jì)量,2015,25(3):33
[5]趙英偉,龐克儉. Kelvin四線連接電阻測試技術(shù)及應(yīng)用. 半導(dǎo)體技術(shù),2005(11):43

作者簡介

魯旭（1994—），男，安徽壽縣人，漢族，初級專業(yè)技術(shù)職務(wù)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄辣O(jiān)督、火災(zāi)調(diào)查、金屬導(dǎo)線金相組織。通信地址：安徽省淮南市壽縣壽春鎮(zhèn)紫金路壽縣消防大隊(duì)