铜铝导线搭接处铜导线形貌和成分分析

张宏亮

(临汾市公安消防支队，山西临汾 041000)

铜铝导线搭接处铜导线形貌和成分分析

张宏亮

(临汾市公安消防支队，山西临汾 041000)

利用KYKY－2800B型扫描电子显微镜，对实验制得的各种模拟铜、铝导线搭接事故的铜导线痕迹进行微观形貌特征的观察和分析，利用EDS2100 X射线能谱仪对试样表面进行成分分析。总结出其微观形貌和成分的差异及其形成原因，为识别，分析铜、铝导线搭接痕迹并客观地认定火灾原因提供参考。

铜铝导线;搭按处;成份分析

电力线路的功能是传输和分配电能，常用的架空线分铜导线和铝导线。由于铝的资源比较丰富，价格又比较便宜，其比重小(铝为2.7 t/m3，铜为8.89 t/m3)，在运输和敷设上比较便利，所以以往除特殊要求和超高压电缆使用铜芯电缆之外，多采用铝导线和铝芯电缆，母线也多采用铝母线。但是，铜导体具有更多的优点，如:机械强度大，抗腐蚀性高，宜于加工焊接等。特别是铜导体的导电性好，除纯银外，铜的电导率最高，铝的电导率仅为铜的62%。所以随着城市电力网的迅速发展，主干线路的负荷越来越大，铜母线和铜芯电缆便越来越受到青睐，这就不可避免地出现了铜、铝导线连接问题，本文其接触点的铜导线痕迹列入研究范围。

在对此类火灾事故的现场勘察中，火调人员常常能够提取到电气线路的残留物。因此，分析、鉴定这些残留物的形成机理和过程，将为认定火灾原因提供证据。

1 实验部分

1.1 所用仪器设备及实验材料

实验采用恒温加热设备为:SRJX－4－9箱式电阻炉，模拟火灾现场的热辐射作用。实验采用普通汽油喷灯模拟火场中火焰灼烧作用。实验采用KYKY2800型扫描电子显微镜对试样进行微观形貌分析。实验采用EDS2100 X射线能谱仪对试样表面进行成分分析。另外，还有IDGC－4/0.6调压器、BXG－160型电焊机。实验材料选用的是2.5 mm2单芯聚氯乙烯绝缘铜导线和2.5 mm2单芯聚氯乙烯绝缘铝导线。

1.2 实验方法

对铜、铝搭接的导线利用电焊机电弧模拟短路大电流(I=140 A)制备一次短路熔痕。对铜、铝搭接的导线利用汽油喷灯、调压器(U=220 V)模拟制备二次短路熔痕。把铜、铝搭接的导线直接连在BXG－160形电焊机两端，通过IDGC－4/0.6调压器调节电压来设定电路中的电流，以制备过负荷样品。在通电情况下使铜、铝导线反复接触，模拟导线发生接触不良。把铜、铝搭接导线放进箱式电阻炉内15 min，温度分别取500℃、600℃、700℃，模拟火场火烧，制备火烧熔痕。

2 实验结果及分析

2.1 铜导线在正常状况下的微观形貌图

铜导线是采用99%以上的纯铜经过冷拔得到的。铜导线表面平滑，有加工方向性。铜导线在正常使用状态下这种加工方向性可以保留下来，而在过负荷，接触不良，短路等情况下，金属表面形貌将发生变化。

2.2 短路熔痕

电气线路上，由于某种原因相接或相碰，产生电流突然增大的现象叫短路。由于短路时的瞬间温度可达5 000℃以上，而铜的熔点为1 083℃，铝的熔点为660℃。因此，短路强烈的电弧高温作用可使铜、铝导线局部金属迅速融化、气化，甚至造成导线金属熔滴的飞溅，从而产生短路熔化痕迹。

2.2.1 一次短路痕迹通过电焊机电弧模拟短路大电流制备的一次短路痕迹多为凹坑状熔痕。发生短路时很难避免粘连现象，所以得到的痕迹为断面痕迹。通过扫描电子显微镜对铜、铝导线搭接处铜导线一次短路痕迹的观察发现，痕迹呈卵形花样，有气孔。与铜导线一次短路痕迹相比，铜导线一次短路痕迹气孔均匀细密，比较规则，呈贝壳状痕迹;而与铝搭接的铜导线痕迹气孔大而疏，分散均匀，呈圆形且有光泽。

用X射线能谱仪分析铜、铝搭接导线的一次短路痕迹，发现铜导线上含有铝的成分。扫描结果:在所观察区域铜分布大量而均匀，铝分布广泛且相对集中。

一次短路熔痕是在环境温度条件下，电路中负载发生故障，导线之间相碰或由于导线绝缘层破损，导线和金属套管相碰，电路发生短路，这时电路中电流强度瞬间上升，在极短的时间内短路造成金属熔化的爆炸性电弧并向四周喷射灼热的熔滴。由于铝的熔点比铜低很多，在瞬间的高温中铝比铜熔化的程度大，所以在铜导线的痕迹上溅有大量铝的成分。一次短路熔痕形成的环境有两个特点:一是空气中氧浓度较高，为21%左右，存在空气的溶解，特别是氧气的溶解现象的产生;二是环境温度较低，一般不超过70℃。这样短路熔痕只经过瞬间高温，溶入的气体量较少。但是，冷却速度快，过冷度大，凝固速率大，这些气体来不及排出体外而留于熔痕内，因此气孔分散均匀，内壁光滑。由于有铝的存在，使形成的气孔比铜导线一次短路的气孔大且圆。

2.2.2 二次短路熔痕通过扫描电子显微镜对铜、铝导线搭接处铜导线二次短路痕迹的观察发现:痕迹外表面粗糙，有明显的凹凸差别;气孔大小不一，数量较多，有的大气孔内有小气孔。与铜导线二次短路痕迹相比，铜导线二次短路痕迹气孔边缘坡度较缓，有平行花纹;而与铝搭接的铜导线痕迹的气孔较深，类似地质中的冰臼痕迹。

用X射线能谱仪分析铜、铝搭接导线的二次短路痕迹，发现铜导线上除了铝还含有氯、钙、氧等成分。面扫描结果:在所观察区域铜分布均匀，铝含量比一次短路少，除此之外还有少量的氯和微量的钙。

二次短路熔痕是导线在火灾中短路形成，又称火烧短路熔痕。由于现场温度高，熔珠冷却速度慢，过冷度小，凝固时间长，虽然逸出的气体较多，但火灾环境中氧浓度较低，一般为14%～21%，同时还存在大量的灰尘、杂质和各种燃烧产物，以及受火灾热作用而蒸发的水蒸气等溶入的气体量也就较多，因而，二次短路熔痕内气孔大小不均匀，并且气孔数目较多。而二次短路熔痕处在高温的时间比一次短路熔痕的时间长，所以气孔表面比较粗糙。同一次短路的原因一样，二次短路的熔痕中也含有铝成分。氯和钙是绝缘层中的成分。

2.3 过负荷痕迹

通过扫描电子显微镜对铜、铝导线搭接处铜导线过负荷痕迹的观察发现:痕迹表面粗糙，无明显的凹凸差别，无明显的气孔;有小熔区，在小熔区内残存有光滑和光亮区域。与铜导线的过负荷痕迹并无明显差别。

用X射线能谱仪分析铜、铝搭接导线的过负荷痕迹，发现铜导线上只含有微量的铝。扫描结果:在所观察区域铜分布均匀，有微量的铝。

导线截面与用电设备功率不匹配，用电设备故障以及保险装置失效情况下的长时间短路等都可能造导线的过负荷。导线过负荷痕迹的形成主要与过负荷电流和通电时间有关。当导线通过一倍半安全电流时，手感发烫，绝缘层膨胀松弛但表面较为完好;当通过二倍安全电流时，线芯温度约300℃，可闻到焦味，局部冒烟，绝缘层起泡;当通过三倍额定电流时，铜导线温度超过800℃，铝线温度超过600℃，接近铝的熔点。所以，铜、铝导线搭接的线路发生过负荷，铝线部分先熔断，断口多呈圆状熔珠，没有光泽，表面粗糙。而铜导线部分的温度要低于熔点，所以铜导线线芯在外观上无明显熔痕。过负荷没有像短路那样的瞬间电弧形成的高温，只有微量的铝附着在铜上。

2.4 接触不良痕迹

触不良痕迹微观形貌200X通过扫描电子显微镜对铜、铝导线搭接处铜导线接触不良痕迹的观察发现:痕迹表面粗糙，凹凸不平，有颗粒状痕迹;无明显的气孔，有熔化痕迹。

用X射线能谱仪分析铜、铝搭接导线的接触不良痕迹，发现铜导线上含有大量的铝。面扫描结果:在所观察区域铜分布均匀且少量，铝分布量较大。

铜、铝导线搭接线路发生事故最常见的原因就是铜铝接头接触不良。由于铜铝接头处电化腐蚀和金属蠕变等原因，使接头处松动，接触不良引起接触电阻过大而产生过热引起火灾。如铜、铝导线接头松动，当受到振动时就会瞬间接触或断开，这时在接头处会出现连续打火现象，而且温度很快升高，有时甚至在几分钟内就会导致在接头部分金属熔化。所以在铜铝接头处的接触不良痕迹多为麻坑和电火花烧蚀痕。痕迹表面粗糙，凹凸不平，有颗粒状痕迹和熔化痕迹。因为在接头处多次打火，铝的熔点较低，所以在铜表面上覆盖有大量的铝。

2.5 火烧痕迹

通过扫描电子显微镜对铜、铝导线搭接处铜导线火烧痕迹的观察发现:痕迹表面无明显变化，表面平整，有少量块状物，无气孔。高倍像下可以看到熔化痕迹。

用X射线能谱仪分析铜、铝搭接导线的火烧痕迹，发现铜导线上只含有少量的铝。扫描结果:在所观察区域铜分布大量而均匀，铝集中分布在几个点上。

火烧熔痕是在火灾环境中，被火灾高温加热逐步升高超过其熔点时熔化形成的。通常在火灾热作用下熔化的痕迹，其作用时间、温度均与短路不同，具有温度持续时间长，火烧范围大的特点，其熔化温度低于短路电弧温度，与短路熔痕的本质区别在于它是在不带电的条件下形成的。当温度升高，铝导线首先开始熔化，之后，如果温度到达铜的熔点，铜导线才开始熔化。因为火灾现场的温度较高，因此，冷却速度相当缓慢，凝固时间较长，这样，导线熔化时，溶解的气体有较充分的逸出时间，所以火烧熔痕没有气孔且表面较平整。铜和铝在火灾情况下，随着温度的升高达到铝的熔点时，铝导线开始熔化，滴落，并不会粘连在铜导线上。温度继续升高超过铜的熔点时，铝已经与铜分离。所以，由于火烧温度没有短路那么高，升温相对缓慢，而且铝和铜不在同一时间熔化，所以在铜导线上只有少量的铝。

2.6 熔痕的微观形貌特征和能谱分析结果比较(见表1)

表1总结了各种熔痕的微观形貌特征和能谱分析结果。

表1 各种熔痕的微观形貌特征和能谱分析结果比较

3 结论

通过上述分析，可以得出以下结论:

(1)铜、铝导线搭接处不同情况下铜导线熔痕的微观形貌特征和成分具有一定的差异。采用扫描电子显微镜/能谱仪分析技术可以鉴定铜导线熔痕微观形貌和成分的差异，直观快捷地识别熔痕的种类。

(2)铜导线的短路熔痕与铜、铝导线搭接处的铜导线短路熔痕在微观形貌上有差别。一次短路痕迹:铜导线一次短路痕迹气孔均匀细密，比较规则，呈贝壳状痕迹;而与铝搭接的铜导线痕迹气孔大而疏，分散均匀，呈圆形且有光泽。二次短路痕迹:铜导线二次短路痕迹气孔边缘坡度较缓，有平行花纹;而与铝搭接的铜导线痕迹的气孔较深，类似地质中的冰臼痕迹。

(3)铜、铝导线搭接处铜导线熔痕上含有铝的成分，且不同痕迹铝的含量有差别。接触不良痕迹表面含有大量铝成分;短路痕迹铝成分较多;火烧痕迹铝成分含量较少;过负荷痕迹只有微量铝成分。

［1］金河龙.火灾痕迹物证与原因认定［M］.吉林:吉林科学技术出版社，2005.297～316.

［2］胡建国.火灾物证分析［M］.北京:警官教育出版社，1999.405～422.

［3］陶景光，彭喜英，罗慧倩，等.火灾事故鉴定的扫描电镜研究［J］.电子显微学报，2003(6):636～636.

［4］任松发.火灾调查［M］.北京:警官教育出版社，1998.165～171.

［5］Beland B.“Examination of Arc Beads”.Fire and Arson Investigator，June 1994.

［6］邸曼，王希庆，刘振刚，等.火场中金属熔痕微观形貌鉴别方法的研究［J］.消防科学与技术，1999(2):34～36.

A

2011-03-31

张宏亮(1978—)，男，山西五台人，工程师。