过负荷电流对铜导线断后伸长率和断面收缩率的影响

王晶晶

(安徽省阜阳市消防救援支队,阜阳 23600)

随着现代社会经济快速发展，各类电气产品层出不穷，人们生产和生活用电量大幅增加，由于用电不慎等原因造成火灾事故易发多发。我国由电气引发的火灾及其所造成的直接经济损失一直居于高位，重特大火灾时有发生。吉林省吉林市珲春街商业大厦火灾造成19人死亡、26人受伤，起火原因为电气线路老化引发火灾。2012年天津蓟县莱德商厦火灾，致10人死亡、16人受伤，该起火灾是由空调电源线短路引燃周围可燃物所致。在电气火灾中电气线路故障引起的火灾是电气火灾最主要的原因。电气线路过负荷作用范围大、时间长，因此电气线路过负荷又是电气线路故障中最危险的一类火灾原因[1]。

目前对电气火灾的熔痕鉴定方法主要有宏观分析、金相分析、成分分析、剩磁分析、微观分析等[2]，但是将力学性能测试应用到电气火灾痕迹物证鉴定中的还较少。笔者采用扫描电镜(SEM)对断口收缩率进行分析，采用万能拉伸试验机对断后伸长率进行分析，并分别与过负荷电流建立量化关系，从而更精确地判断铜导线是否过负荷以及过负荷程度，进而丰富火灾调查技术的理论，拓展研究火灾痕迹的方法，为火灾调查提供理论依据和技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 仪器和材料

试验设备为北京中科科仪公司的KYKY2800B型扫描电镜(SEM)，分辨率是6 nm(钨丝)，放大倍数为15～250 000倍，加速电压为0～30 kV；火灾痕迹物证综合试验台，频率50 Hz，输出电压380 V；XWW-10型万能试验机,试验速度为0.1～500 mm·min-1，最大试验载荷为10 kN。

试验材料为φ2.5 mm单股铜导线。

1.2 试验方法

将长为50 cm的单股铜导线接入火灾痕迹物证综合试验台，在20～25 ℃室温下，分别通以1、2、3、4倍的额定电流(Ie)，并分别持续5、10、15、20 min后断电，采用在空气中自然冷却的方式进行冷却。利用万能试验机进行拉伸试验，并利用扫描电镜对断口进行观察，对断口面积进行测量，运用SPSS软件实现回归分析[3]。

2 试验结果与分析

2.1 断后伸长率测定与分析

将断开的试样两端断口紧密地对接在一起，用直尺测量试样标记部分的断后长度，并计算试样的断后伸长率。

当电流的热作用较弱时，通过铜线芯的温度小于铜的再结晶温度(200 ℃)，晶粒大小不会发生改变。当铜线芯的温度等于或大于其再结晶温度时，其微观结构才会发生改变，因而在过负荷电流的高温作用下，导线发生再结晶，并且晶粒逐渐长大。铜导线在不同额定电流下的温度如表1所示[4]。铜导线在1倍额定电流下，组织无变化；在2倍额定电流下，部分再结晶，但晶粒细小；在3倍额定电流下，晶粒变得粗大[5-6]。晶粒粗化，材料的塑性和韧性也会减弱。这是因为在相同的外力作用下，粗大晶粒的内部和晶界附近的应变度相差较大，变形不均匀，相对来说，因应力集中引起开裂的机会也较大，断后伸长率较小。由于晶粒越大，金属中的裂纹容易产生并且容易传播，因而在断裂过程中吸收了较少的能量，即表现出较低的韧性。

表1 铜导线在不同额定电流时的温度Tab.1 Temperatures of copper conductor at different rated currents ℃

不同大小的过负荷电流及通电时间对铜导线断后伸长率的影响如图1所示，可见在相同过负荷时间内，断后伸长率随着过负荷电流的增大而下降，与正常通电时的断后伸长率相比，过负荷电流为2倍额定电流时，断后伸长率明显下降，但下降的幅度较小；过负荷电流为3倍额定电流时，断后伸长率迅速下降，下降幅度较大；过负荷电流为4倍额定电流时，断后伸长率持续下降，但下降幅度有所减小。同一规格铜导线，在不同通电时间内，随着过负荷电流的增大，断后伸长率的变化趋势略有不同，通电时间越长，断后伸长率随过负荷电流增大而下降的幅度越大，下降幅度按通电时间从大到小依次为20 min、15 min、10 min、5 min。

图1 不同大小的过负荷电流及通电时间对铜导线断后伸长率的影响Fig.1 Influence of different overload currents and power on time on elongation after fracture for copper conductor

将铜导线的断后伸长率与过负荷电流进行拟合，以通电15 min为例，发现二者的关系接近线性模型，拟合曲线如图2所示。断后伸长率对额定电流的回归方程式为

图2 铜导线断后伸长率与电流的拟合曲线Fig.2 The fitting curve of elongation after fracture of copper conductor and current

y=34.105-2.845x(R2=0.909)

(1)

2.2 断面收缩率测定与分析

将断口在扫描电镜下放大100×的图片导入SemImage3.0软件。利用该软件中的划线工具圈定断口，圈定后进行二值分割，然后选定“粒度分析”功能，软件会自动测定断口的面积。

不同大小的过负荷电流及通电时间对铜导线断面收缩率的影响如图3所示。可见随着额定电流增大，铜导线的塑性和韧性会减弱，因此断面收缩率也会较小。同一规格铜导线，在相同通电时间内，随着过负荷电流的增大，断面收缩率呈下降的趋势；当过负荷电流小于或等于2倍额定电流时，断面收缩率略有下降，下降幅度较小；当过负荷电流大于2倍额定电流时，断面收缩率与过负荷电流之间的曲线斜率增大，断面收缩率急剧下降，且过负荷电流越大，断面收缩率下降的幅度越大。同一规格铜导线，在不同通电时间内，随过负荷电流增大，断面收缩率的变化趋势略有不同。通电时间越长，断面收缩率随过负荷电流增大而下降幅度越大，按从大到小的顺序依次为20 min、15 min、10 min、5 min。

图3 不同大小的过负荷电流及通电时间对铜导线断面收缩率的影响Fig.3 Influence of different overload currents and power on time on percentage reduction of area for copper conductor

将断面收缩率与额定电流进行拟合，以通电15 min为例，发现两者关系接近二次多项式模型，拟合曲线如图4所示。断面收缩率对额定电流的回归方程式为

图4 铜导线断面收缩率与电流的拟合曲线Fig.4 The fitting curve of percentage reduction of area of copper conductor and current

y=94.330-0.865x(R2=0.977)

(2)

3 结论

(1)铜导线的断后伸长率和断面收缩率随着额定电流的增大而下降。

(2)在相同额定电流下，铜导线的断后伸长率和断面收缩率随通电时间延长而下降。

(3)通电时间对铜导线力学性能的影响小于电流大小对铜导线力学性能的影响。