着床后引燃对电弧迸溅熔珠组织特征的影响*

张志伟，雷心怡，王一名，周广英，李 阳，王伟峰

(1.中国人民警察大学 研究生院，河北 廊坊 065000；2.陕西省杨凌示范区消防救援支队，陕西 杨凌 712100；3.黑龙江省大庆市消防救援支队，黑龙江 大庆 163000；4.中国人民警察大学 物证鉴定中心，河北 廊坊 065000；5.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

故障电弧引起火灾有2种情况，一是电弧直接引燃比表面积较大的可燃物；二是电弧迸溅熔珠着床后引燃周围可燃物[1]。相较于电弧直接引燃可燃物，迸溅熔珠引燃可燃物造成的火灾事故更为频发，如2020年3月30日，四川凉山州西昌市森林火灾造成19人死亡，森林过火面积3 047.78公顷，起火原因是输电线接地短路产生的故障电弧迸溅熔珠引燃了山林间的灌木和杂草[2]。故障电弧熔化导线线芯，迸溅出高温金属液滴，着床接触可燃物后，如果携带的能量足够高，可燃物热解的足够充分，就会引起有焰燃烧；相反，当熔珠自身能量不足，可燃物热解不够充分，就无法引起有焰燃烧，继而无法引发火灾[3]。结合金属铸造学基本原理，有焰燃烧显著影响着高温液态迸溅熔珠的冷却过程，继而影响其组织特征的形成[4]。但迸溅熔珠体积小、温度高、冷却快，加之着床后引燃过程的复杂性，关于此方面的系统研究相对较少。

目前，关于故障电弧迸溅熔珠的研究主要集中于热颗粒直径、初始温度、材质和可燃物种类、堆积方式对其引燃能力的影响方面。早在1977年，Pleasance等[5]首次提出故障电弧迸溅熔珠是引发山林火灾的原因之一，其通过加热将铝片熔化的方式模拟金属高温热颗粒引燃下方可燃物，发现存在有焰燃烧和无法引燃2种情况。2010年，Kuznetsov等[6]理论研究了运动中的高温热颗粒对空气和可燃液体蒸气混合物的传热传质过程；自2011年后，Fernandez-Pello团队[7-11]通过炉体加热金属颗粒的方式，探究了不同材质的金属高温颗粒引燃可燃物的温度、大小的临界条件，并对热颗粒引燃可燃物的过程进行了理论研究；2020年，Liu等[12]针对高速运动的切割金属热颗粒，建立了热颗粒的温度测量与轨迹追踪方法，可为定量表征高温金属热颗粒凝固过程中的温度变化提供方法参考。荣彦超等[13]根据色温比色原理，使用Matlab图像色温识别程序，建立了高温液态迸溅熔珠凝固过程中测温的方法。2017年以来，Fernandez[14]和Manzello等[15]对飞火的研究进行了系统综述，指出炉体加热的金属热颗粒与故障电弧产生的迸溅熔珠引燃可燃物的过程存在较大差异，并提出可燃物的含水率、密度、孔隙率等特性也会对热颗粒的引燃能力产生影响。

Babrauskas[16]提出了故障电弧迸溅熔珠是认定电气故障引发火灾的重要物证，其组织特征可为分析火灾发生原因提供依据。在我国，故障电弧熔珠的认定主要参照2012年发布的《电气火灾痕迹物证技术鉴定方法 第5部分：电气火灾物证识别和提取方法》(GB/T 16840.5—2012)[17]。近年来，国内外学者对电弧熔珠组织特征的研究进行细化，但主要集中在线端电弧熔珠的组织特征方面。2010年，吴莹等[18]利用Cu的俄歇谱线和计算的俄歇参数值，对不同环境形成的铜导线短路痕迹的物相及元素分布规律进行了分析；2015年，Liu等[19]对铜导线产生的起因熔珠的微观组织和熔珠形成的外部条件进行探究，确定了过冷度、生长速率和枝晶形貌等对金相特征形成的影响；李阳等[20]根据金相法的判定依据，建立了基于Bayes判别模型的火场中铜导线短路熔痕定量金相鉴定的方法。与线端电弧熔珠不同，电弧迸溅熔珠是远离电弧熔池热作用区凝固的金属热颗粒，着床后引燃可燃物的情况对其凝固冷却过程具有显著影响，因此，有必要针对电弧迸溅熔珠开展系统研究。

本文通过对故障电弧迸溅熔珠形成过程高速影像的捕捉，分类统计其着床方式，优化Matlab图像色温识别方法，对熔珠着床过程中的温度变化进行追踪，分析迸溅熔珠引燃可燃物情况对其组织特征的影响，此研究对于准确识别电弧迸溅熔珠引发火灾具有重要意义。

1 实验设计

1.1 实验方法

电弧迸溅熔珠制备及其着床过程记录实验装置如图1所示。实验前，使用玻璃器皿(内壁直径18 cm，高3.5 cm)盛装α-纤维素粉，称重并控制α-纤维素粉密度为0.5 g/cm3，搅拌蓬松后置于110 ℃烘箱中干燥4 h(达到可燃物质量不随时间发生变化的状态)[7]。随后将α-纤维素粉置于绝缘木上，使电弧迸溅熔珠制备点距α-纤维素粉表面圆心5 cm高。将2.5 mm2的单芯铜导线截成15 cm小截若干，剥去两端约3 cm绝缘层，用2个焊把分别连接2根导线，保持2根导线线端在同一高度且相互接触。实验时,调节故障电弧迸溅熔珠制备装置(中国人民警察大学自主研发)输出直流电流200 A，制备故障电弧迸溅熔珠，并用高速摄像机(Phantom VEO640，300帧/s)在主视图方向记录熔珠的着床引燃过程。实验后，使用Matlab软件对熔珠着床后的连续影像进行图像色温识别，并使用蔡司金相显微镜(Observer.A1m)观察分析熔珠的典型组织特征。为减小实验随机性的影响，在200 A恒定直流电下进行50组重复实验。

图1 故障电弧迸溅熔珠制备实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device for preparing splashed melted bead by arc fault

1.2 迸溅熔珠温度测量

1.2.1 迸溅熔珠测温原理

根据光学和热力学知识，物体的温度与其光谱辐射力及波长有关，温度升高会使物体热辐射产生的可见光中短波的比例增大[21]。例如，当金属温度低于227 ℃(500 K)时难以被摄像机捕捉，随着其温度的升高，会出现暗红、鲜红、橘黄直至白炽等颜色变化。故障电弧迸溅熔珠离开导线端部时为液态，温度远高于其铜导线的熔点1 083 ℃(1 356 K)。因此，可采用Matlab将迸溅熔珠的真彩色图像分解成三基色的灰度图像，而后通过比色测温法求出每一帧图像中迸溅熔珠各点的温度。

1.2.2 迸溅熔珠着床过程温度测量方法

设置高速摄像机拍摄帧率为300 fps，可计算出每2帧图像之间的时间间隔为3.33 ms，将迸溅熔珠首次与α-纤维素粉接触的1帧图像定义为着床首帧图像，其时间定义为着床后第0 ms，并以此计算此后每帧图像所对应的着床时间。将迸溅熔珠着床过程的高速影像导入Matlab测温程序中，选取测温程序输出的平均温度作为高速影像中任1帧迸溅熔珠的温度，如图2所示。由于熔珠着床后会使得α-纤维素粉发生飞溅，飞溅的α-纤维素粉在迸溅熔珠的强光作用下会影响Matlab对迸溅熔珠温度的识别，此时选取熔珠中心点作为测温点，读取此时的温度。

图2 Matlab测温效果Fig.2 Temperature measurement effect by Matlab

2 实验结果与分析

将着床后引燃可燃物，且火焰持续时间1 s以上的故障电弧迸溅熔珠定义为引燃可燃物的熔珠，无明火产生则定义为无法引燃可燃物的熔珠[10]。50组重复实验中共得到35个引燃可燃物的迸溅熔珠，51个无法引燃可燃物的迸溅熔珠。

2.1 迸溅熔珠着床方式分类与统计

迸溅熔珠脱离线端熔池后，在重力作用下会进行自由落体运动，着床时的运动方向会与α-纤维素粉表面形成一定的夹角，进而形成不同的着床方式。对实验中高速摄像机捕捉到的迸溅熔珠的着床方式进行观察，发现迸溅熔珠的着床方式主要分为着床静止和着床弹跳2类，如图3～4所示。

图4 着床弹跳的迸溅熔珠Fig.4 Bouncing splashed melted bead after landing

着床静止的电弧迸溅熔珠与α-纤维素粉接触后会嵌入α-纤维素粉中，不再发生运动；着床弹跳的迸溅熔珠与α-纤维素粉接触后会在竖直方向或者水平方向上进行多次弹跳，当迸溅熔珠竖直方向的速度为0 m/s时，熔珠在α-纤维素粉表面开始滚动直至静止。

对2类着床方式的迸溅熔珠引燃α-纤维素粉的数量进行统计，如表1所示。

表1 不同着床方式的迸溅熔珠引燃α-纤维素粉的数量统计Table 1 Statistics on number of splashed melted bead igniting α-cellulose powders with different landing methods

着床静止的迸溅熔珠引燃α-纤维素粉的概率明显小于着床弹跳的迸溅熔珠。如图3所示，着床静止的迸溅熔珠嵌入α-纤维素粉中后，在α-纤维素粉内进行传热，此环境中氧气含量不足，氧气与α-纤维素粉热解气体的混合难以达到该预混气体燃烧的最小浓度，嵌入α-纤维素粉中的深度越深，熔珠越难以引燃α-纤维素粉；如图4所示，在着床弹跳的迸溅熔珠每次与α-纤维素粉接触位置处，α-纤维素粉在熔珠的冲击下以粉状形式在空气中散开，进而减小α-纤维素粉的热惯性，使得其在熔珠的持续高温下更易被引燃。

2.2 引燃可燃物的熔珠着床过程温度分布规律

2.2.1 引燃可燃物的熔珠着床过程

通过高速摄像机对迸溅熔珠着床后引燃α-纤维素粉的过程进行捕捉，选取具有代表性1组实验中的10帧图像，并对每帧图像进行温度测算，如图5～6所示，可获取迸溅熔珠温度连续变化的等温面图。

图5 引燃可燃物的熔珠着床过程Fig.5 Landing process of melted bead igniting combustibles

图6 引燃可燃物的熔珠着床过程的等温面图像Fig.6 Isothermal surface images for landing process of melted bead igniting combustibles

由图5～6可知，在6.7 ms时，出现火焰，此时熔珠颜色为白炽色，熔珠中心点的温度在1 500 K左右。明火出现使得飞溅的α-纤维素粉还未来得及落下便迅速热解，与氧气混合充分，形成可燃气体的大面积燃烧，可看到侧面边缘出现的蓝绿色火焰，并向熔珠的方向蔓延。在125.4 ms时，火焰以熔珠为中心逐渐稳定并剧烈燃烧。随着熔珠着床稳定位置周围α-纤维素粉的热解燃烧，熔珠周围形成α-纤维素粉炭化层。炭化层减缓了熔珠对α-纤维素粉的热量传递，使得炭化层之外的α-纤维素粉热解速度降低，同时也阻碍α-纤维素粉热解气体的向外释放。由于热解气体和空气混合的可燃气体含量减少，从第250.8 ms开始火焰边缘的蓝绿色火焰消失，火焰逐渐黯淡。火焰燃烧逐渐变弱，对熔珠的热作用也逐渐减弱，熔珠颜色也由橘黄色逐渐变暗，直至1 625.1 ms，熔珠无法被高速影像捕捉。

2.2.2 引燃可燃物的熔珠着床过程中的温度变化

图7 引燃可燃物的着床静止迸溅熔珠温度随着床时间变化Fig.7 Variation of temperature of static splashed melted bead igniting combustibles after landing with landing time

图8 引燃可燃物的着床弹跳迸溅熔珠温度随着床时间变化Fig.8 Variation of temperature of bouncing splashed melted bead igniting combustibles after landing with landing time

引燃可燃物的迸溅熔珠着床后，着床静止和着床弹跳的迸溅熔珠温度均随时间呈波动式降温，根据温度升降情况可将整个降温过程分为4个阶段。

1)第1阶段(如图7～8Ⅰ所示)为氧化升温阶段。该阶段熔珠会因氧化还原反应，温度会有所上升。对熔珠表面进行扫描电镜(SEM)分析[22]，发现熔珠表面存在氧元素，如图9所示。

图9 熔珠外表面扫描电镜影像Fig.9 SEM image of external surface of melted bead

表明熔珠着床后其表面会生成氧化铜或氧化亚铜。氧化还原反应放出的热量作用于熔珠本身，使得其温度上升。随着熔珠外表面参与氧化反应的Cu的消耗，反应放出的热量会减少，直至熔珠吸收的来自氧化还原反应的热量和熔珠释放的热量达到平衡，氧化升温阶段结束。

2)第2阶段(如图8Ⅱ所示)为运动传热阶段。该阶段主要发生在着床弹跳的迸溅熔珠的温降过程中。熔珠着床后发生反复多次弹跳，弹跳过程中其热量以热对流的方式不断向空气中散失，温度急剧下降，直至其弹跳运动结束。对于着床静止的迸溅熔珠而言，嵌入在α-纤维素粉中的熔珠难以发生运动，温降过程中一般不存在该阶段的传热过程，如图7所示。

3)第3阶段(如图7～8Ⅲ所示)为明火燃烧阶段。该阶段，火焰出现，使得熔珠温度再次上升。在熔珠的持续高温作用下，α-纤维素粉不断热解，产生的热解气体与空气混合，当混合气体浓度达到最小点燃浓度时，便出现明火燃烧现象。在火焰对熔珠的热反馈作用下，熔珠温度再次上升。随着燃烧反应的进行，热解混合气体的浓度逐渐减小，火焰强度减弱，直至火焰对熔珠的热反馈的能量与熔珠的散热释放的能量逐渐达到平衡，明火燃烧阶段结束。

4)第4阶段(如图7～8Ⅳ所示)为冷却降温阶段。该阶段，熔珠的温度不断下降。随着熔珠着床位置α-纤维素粉的热解燃烧，在紧贴熔珠表面的地方形成一定厚度的炭化层，炭化层使得熔珠的热量难以向外传递，进而使得炭化层之外的α-纤维素粉难以热解，供给燃烧的热解气体含量逐渐降低，直至火焰熄灭，熔珠温度降至室温。

2.3 无法引燃可燃物的熔珠着床过程温度分布规律

2.3.1 无法引燃可燃物的熔珠着床过程

通过高速摄像机对迸溅熔珠着床后无法引燃α-纤维素粉的过程进行捕捉，选取具有代表性1组实验中的10帧图像，并对每帧图像进行温度测算，如图10～11所示，可获取迸溅熔珠温度连续变化的等温面图。

由图10～11可知，无法引燃可燃物的熔珠在整个着床过程中未出现明火燃烧现象，熔珠降温较快。在着床的前53.3 ms，熔珠温度在1 300 K左右。在80～120 ms熔珠颜色发生明显变化，由白炽色变为淡黄色，等温面图中可看到熔珠由外向内逐渐降温。在120 ms后，熔珠颜色开始黯淡，等温面图中熔珠由内向外开始散热，此时熔珠中心点温度在1 200 K左右。表明熔珠在自然冷却时，其降温过程是先由外向内逐渐降温，随后中心高温区域再向外表面传导热量，当熔珠各区域温度趋于相等后，再次由外向内逐渐降温，如此循环直至熔珠温度降至室温。

图10 无法引燃可燃物的熔珠着床过程Fig.10 Landing process of melted bead without igniting combustibles

图11 无法引燃可燃物的熔珠着床过程的等温面图像Fig.11 Isothermal surface images for landing process of melted bead without igniting combustibles

2.3.2 无法引燃可燃物的熔珠着床过程中的温度变化

同引燃可燃物的熔珠一样，选取着床静止和着床弹跳的无法引燃可燃物的迸溅熔珠连续高速影像进行温度测算，观察迸溅熔珠着床后前175 ms内的温度随着床时间的变化，如图12～13所示。

图12 无法引燃可燃物的着床静止迸溅熔珠温度随着床时间变化Fig.12 Variation of temperature of static splashed melted bead without igniting combustibles after landing with landing time

图13 无法引燃可燃物的着床弹跳迸溅熔珠温度随着床时间变化Fig.13 Variation of temperature of bouncing splashed melted bead without igniting combustibles after landing with landing time

由图12～13可知，无法引燃可燃物的熔珠着床后其温度先上升后下降，呈单波动式降温，且降温过程仅会经历Ⅰ和Ⅳ阶段。在这2个阶段，无法引燃可燃物的熔珠着床降温过程不受火焰的热反馈作用的影响。

2)第2阶段(如图12～13所示)的温降过程中，熔珠释放的热量大于熔珠吸收的来自氧化反应放出的热量，熔珠温度开始下降。但熔珠温度较高，仍会使着床位置的α-纤维素粉发生热解并逐渐炭化，炭化的α-纤维素粉不停向熔珠反馈热量，在一定程度上减缓熔珠的温降过程。相较于着床静止的熔珠而言，着床弹跳的熔珠着床后的反复弹跳使得其能量更多地散失在空气中，当着床稳定不再弹跳时，其传递给α-纤维素粉的能量远小于着床静止的熔珠。因此α-纤维素粉被着床弹跳的迸溅熔珠所炭化的面积较小，炭化层反馈给熔珠的能量较少，温降速率较大。2类无法引燃可燃物的熔珠在着床第100 ms时，熔珠的温降速率分别为0.35，1.28 K/ms，在175 ms内熔珠温降速率一直处于增大的趋势。

2.4 不同引燃能力迸溅熔珠典型组织分类与分析

2.4.1 引燃可燃物的熔珠典型组织分类与分析

观察引燃可燃物的熔珠的金相组织特征并进行分析，发现其金相组织均呈现晶界明显的等轴晶，如图14所示。

图14 引燃可燃物的熔珠的典型金相组织Fig.14 Typical metallographic structure of melted bead igniting combustibles

若金属在未凝固时受到火焰的二次加热作用，金属组织会发生回复、再结晶、晶粒长大、熔化等一系列变化过程[3]。铜导线故障电弧迸溅熔珠作为1种以铜为主的金属颗粒，其熔点为1 083 ℃，在火焰的一系列热作用下也会发生类似上述过程的变化。如图7～8所示，引燃可燃物的熔珠受到火焰热反馈作用，熔珠呈双波动式降温，延长了熔珠金相组织的凝固时间，且在着床1 000 ms时，温降速率小于0.5 K/ms。金相组织凝固时间的延长使得晶粒之间会相互吞并长大，其结果必然会导致晶界的移动。而晶界迁移会导致界面能的产生，弯曲的晶界为降低界面能，总是向曲率中心移动而趋于平直化，使得原本弯曲细小的晶界向平直的趋势发展，造成晶粒不断长大，且形状更加规则，晶粒组织整体发生形状改变并长大，最终使得晶粒形成等轴晶。

2.4.2 无法引燃可燃物的熔珠典型组织分类与分析

观察无法引燃可燃物的熔珠的金相组织并进行分析，发现其金相组织不稳定。根据无法引燃可燃物的熔珠的典型金相组织特征将其分为A，B，C 3类，结果如图15所示。

图15 无法引燃可燃物的熔珠的典型金相组织Fig.15 Typical metallographic structure of melted bead without igniting combustibles

A类熔珠的金相组织呈现晶界较细且不清晰的等轴晶，内部气孔多；B类熔珠的金相组织呈现以气孔为中心生长的柱状晶和等轴晶；C类熔珠的金相组织以胞状晶、柱状晶和树枝晶为主，晶粒生长较为繁密，枝晶臂有明显但杂乱的生长方向，晶粒的生长方向具有无序性。

对3类无法引燃可燃物的熔珠的数量进行统计，结果如表2所示。

表2 无法引燃可燃物的熔珠金相组织特征统计Table 2 Statistics on metallographic structure characteristics of melted bead without igniting combustibles

无法引燃可燃物的熔珠接触α-纤维素粉后不会受火焰热反馈作用，但熔珠着床位置的α-纤维素粉会被炭化，炭化的α-纤维素粉会将部分热量反馈给熔珠。α-纤维素粉炭化面积不同，使得熔珠的温降过程出现不同程度的减缓。无法引燃可燃物的熔珠温降速率的差异影响着其金相组织凝固速率。金相组织凝固较快的熔珠，晶粒还未来得及长大就已凝固，不易于形成晶界明显的等轴晶；金相组织凝固速率小的熔珠，晶粒生长时间较长，可能形成晶界明显的等轴晶。因此，无法引燃可燃物的熔珠的金相组织中出现胞状晶和树枝晶的C类熔珠占比最多，达到58.83%，其中温降速率较大的着床弹跳迸溅熔珠占60%；而呈现等轴晶的A类熔珠占比仅为11.76%，温降速率较小的着床静止迸溅熔珠占83.33%。

3 结论

1)电弧迸溅熔珠着床时，与可燃物之间存在一定的速度偏角，出现着床弹跳和着床静止2类熔珠，相较于着床后直接嵌入可燃物中的着床静止迸溅熔珠而言，可燃物在着床弹跳迸溅熔珠的高温作用下热解所产生的气体能够和氧气混合得更充分。

2)引燃可燃物的电弧迸溅熔珠受到火焰的热反馈作用，其温度呈现双波动式降温，相较于无法引燃可燃物的熔珠，其冷却凝固所需时间更长，致使等轴状晶粒成为引燃可燃物的电弧迸溅熔珠的典型组织，可据此推断认定该熔珠为引发火灾的疑似电弧迸溅熔珠。

3)无法引燃可燃物的电弧迸溅熔珠仅受铜氧化放热的影响，其温度呈现单波动式降温，最终呈现1个陡然下降的降温过程，其冷却凝固时间更短，会出现有别于等轴晶的树枝晶和胞状晶，可根据树枝晶和胞状晶认定现场中的电弧迸溅熔珠，证明发生过电气故障。