过电流故障演化过程及熔痕特征研究
发布时间：2021-12-17 01:36
针对穿管铜导线过电流故障熔化痕迹难以识别的问题,利用电气故障模拟及痕迹制备实验装置,实验模拟了4～7倍额定电流Ie下穿管铜导线过电流故障,划分了过电流故障传热特征阶段,分析了电流对碳烟析出、熔断时间、熔痕体积和熔痕数量的影响,探究了过电流故障熔痕金相组织特征。研究发现:"累积期"电流增大碳烟析出增加,熔断时间减小。穿管铜导线发生熔断电流至少5.5Ie,在5.5～7Ie时产生了电弧熔痕、迸溅熔珠及结痂痕;随着电流增大,电弧熔痕和迸溅熔珠的体积逐渐增大,结痂痕的体积逐渐减小;迸溅熔珠和结痂痕数量逐渐增加。电弧熔痕的金相组织为树枝晶和胞状晶,迸溅熔珠和结痂痕金相组织只有胞状晶,熔痕与本体之间无明显过渡区,熔痕内部存在孔洞。实验结果表明穿管铜导线过电流故障与未穿管铜导线过电流故障痕迹特征存在差别。研究结论为火灾事故调查中识别与鉴定穿管铜导线过电流故障痕迹提供参考依据。
【文章来源】：西安科技大学学报. 2020,40(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同电流时结痂痕特征
式中 Pprod为导线产热功率;Ploss为导线散热功率;h为绝缘层表面的换热系数;ρ为电阻率;aa为电阻温度系数;T为温度(s为绝缘表面;c为线芯;o为外部;∞为环境);r为线芯半径。“加热期”ΔT?0,导线产热功率小于散热功率,绝缘层与钢管内部环境存在负的温度差,线芯产热量一部分用来升高导线的温度,一部分通过绝缘层散失到钢管内。“累积期”ΔT<0,线芯温度达到了绝缘层热解温度,绝缘层开始热分解。钢管作为良好的热导体,常温下导热系数为45 W/(m·K)[18],散热速率远大于空气,使线芯熔断需要的温度更高,因此,穿管导线发生熔断电流值增加了1.5Ie,电流增加极大降低了发生火灾的危险。由公式(2)可知,导线产热功率正比于电流的平方,则电流增大线芯温度越高,绝缘层通过热传导和热辐射得到的热量也越大,使绝缘层热解产生的碳烟越多,线芯温度也加速了线芯熔化,熔断时间也会减小。“燃烧期”ΔT>0,导线产热功率等于散热功率,碳烟气体分布在钢管内,高温使导线在机械性能最弱处开裂,熔断过程中线芯直径越来越小,电阻热逐渐增加,线芯由固态变成液态,在熔断处形成液桥,温度达到铜的沸点时,液桥被拉断,断裂处产生了金属蒸汽,在热作用下,电子从阴极发射并向阳极加速运动,动动过程中的电子与金属蒸汽发生非弹性碰撞,使金属蒸汽产生电子雪崩形成电弧[19],电弧温度[2]如图7所示。Iarc为电弧产生的电流值,当电流大于4.5 A时,电弧温度与电流值线性正相关。5.5Ie电弧温度为12 238.40 K,远大于铜的熔点(1 357.77 K),瞬间将导线熔化,产生电弧熔痕和迸溅熔珠,同时引燃套管内热解气体,引发导线全线燃烧。
文献[6]研究表明,3倍以上额定电流导线才能产生断路电弧引发火灾。因此实验分别模拟4Ie,4.5Ie,5Ie,5.5Ie,6Ie,7Ie电流时的故障熔化痕迹,每个电流值在相同条件下重复10次实验以减少误差。用CCD相机(Canon,5D Ⅳ)记录导线从通电开始至故障终止整个过程,用体视显微镜(Zeiss,Stemi 508)测试样品宏观形貌,用100 mL H2O,50 mL HCl以及5 g无水FeCl3固体配制金相腐蚀剂侵蚀试样磨抛表面6～8 s[17],用金相显微镜(Zeiss,Axio Vert.A1)测试样品金相组织。2 实验结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]单股铜导线过电流故障痕迹形成规律研究[J]. 周广英,李阳. 武警学院学报. 2017(12)
[2]不同钢种导热系数随温度变化规律的研究[J]. 蒙玉勇,王建军,周俐,王向红. 钢铁钒钛. 2013(03)
[3]铜导线短路熔痕的XPS研究[J]. 吴莹,孟庆山,王新明,高伟,邸曼. 光谱学与光谱分析. 2010(05)
[4]过负荷铜导线金相显微特征分析[J]. 张金专,刘强,于春华. 火灾科学. 2009(04)
[5]金相分析中铜导线的腐蚀剂探讨[J]. 叶诗茂,阳世群,王新钢,祝兴华. 消防科学与技术. 2005(03)
博士论文
[1]开关电器触头材料喷溅侵蚀模型研究及其试验[D]. 吴细秀.华中科技大学 2005
本文编号：3539170
【文章来源】：西安科技大学学报. 2020,40(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同电流时结痂痕特征
式中 Pprod为导线产热功率;Ploss为导线散热功率;h为绝缘层表面的换热系数;ρ为电阻率;aa为电阻温度系数;T为温度(s为绝缘表面;c为线芯;o为外部;∞为环境);r为线芯半径。“加热期”ΔT?0,导线产热功率小于散热功率,绝缘层与钢管内部环境存在负的温度差,线芯产热量一部分用来升高导线的温度,一部分通过绝缘层散失到钢管内。“累积期”ΔT<0,线芯温度达到了绝缘层热解温度,绝缘层开始热分解。钢管作为良好的热导体,常温下导热系数为45 W/(m·K)[18],散热速率远大于空气,使线芯熔断需要的温度更高,因此,穿管导线发生熔断电流值增加了1.5Ie,电流增加极大降低了发生火灾的危险。由公式(2)可知,导线产热功率正比于电流的平方,则电流增大线芯温度越高,绝缘层通过热传导和热辐射得到的热量也越大,使绝缘层热解产生的碳烟越多,线芯温度也加速了线芯熔化,熔断时间也会减小。“燃烧期”ΔT>0,导线产热功率等于散热功率,碳烟气体分布在钢管内,高温使导线在机械性能最弱处开裂,熔断过程中线芯直径越来越小,电阻热逐渐增加,线芯由固态变成液态,在熔断处形成液桥,温度达到铜的沸点时,液桥被拉断,断裂处产生了金属蒸汽,在热作用下,电子从阴极发射并向阳极加速运动,动动过程中的电子与金属蒸汽发生非弹性碰撞,使金属蒸汽产生电子雪崩形成电弧[19],电弧温度[2]如图7所示。Iarc为电弧产生的电流值,当电流大于4.5 A时,电弧温度与电流值线性正相关。5.5Ie电弧温度为12 238.40 K,远大于铜的熔点(1 357.77 K),瞬间将导线熔化,产生电弧熔痕和迸溅熔珠,同时引燃套管内热解气体,引发导线全线燃烧。
文献[6]研究表明,3倍以上额定电流导线才能产生断路电弧引发火灾。因此实验分别模拟4Ie,4.5Ie,5Ie,5.5Ie,6Ie,7Ie电流时的故障熔化痕迹,每个电流值在相同条件下重复10次实验以减少误差。用CCD相机(Canon,5D Ⅳ)记录导线从通电开始至故障终止整个过程,用体视显微镜(Zeiss,Stemi 508)测试样品宏观形貌,用100 mL H2O,50 mL HCl以及5 g无水FeCl3固体配制金相腐蚀剂侵蚀试样磨抛表面6～8 s[17],用金相显微镜(Zeiss,Axio Vert.A1)测试样品金相组织。2 实验结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]单股铜导线过电流故障痕迹形成规律研究[J]. 周广英,李阳. 武警学院学报. 2017(12)
[2]不同钢种导热系数随温度变化规律的研究[J]. 蒙玉勇,王建军,周俐,王向红. 钢铁钒钛. 2013(03)
[3]铜导线短路熔痕的XPS研究[J]. 吴莹,孟庆山,王新明,高伟,邸曼. 光谱学与光谱分析. 2010(05)
[4]过负荷铜导线金相显微特征分析[J]. 张金专,刘强,于春华. 火灾科学. 2009(04)
[5]金相分析中铜导线的腐蚀剂探讨[J]. 叶诗茂,阳世群,王新钢,祝兴华. 消防科学与技术. 2005(03)
博士论文
[1]开关电器触头材料喷溅侵蚀模型研究及其试验[D]. 吴细秀.华中科技大学 2005
本文编号：3539170
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