過電流故障演化過程及熔痕特征研究
發(fā)布時間：2021-12-17 01:36
針對穿管銅導線過電流故障熔化痕跡難以識別的問題,利用電氣故障模擬及痕跡制備實驗裝置,實驗模擬了4～7倍額定電流Ie下穿管銅導線過電流故障,劃分了過電流故障傳熱特征階段,分析了電流對碳煙析出、熔斷時間、熔痕體積和熔痕數(shù)量的影響,探究了過電流故障熔痕金相組織特征。研究發(fā)現(xiàn):"累積期"電流增大碳煙析出增加,熔斷時間減小。穿管銅導線發(fā)生熔斷電流至少5.5Ie,在5.5～7Ie時產(chǎn)生了電弧熔痕、迸濺熔珠及結(jié)痂痕;隨著電流增大,電弧熔痕和迸濺熔珠的體積逐漸增大,結(jié)痂痕的體積逐漸減小;迸濺熔珠和結(jié)痂痕數(shù)量逐漸增加。電弧熔痕的金相組織為樹枝晶和胞狀晶,迸濺熔珠和結(jié)痂痕金相組織只有胞狀晶,熔痕與本體之間無明顯過渡區(qū),熔痕內(nèi)部存在孔洞。實驗結(jié)果表明穿管銅導線過電流故障與未穿管銅導線過電流故障痕跡特征存在差別。研究結(jié)論為火災事故調(diào)查中識別與鑒定穿管銅導線過電流故障痕跡提供參考依據(jù)。
【文章來源】：西安科技大學學報. 2020,40(03)北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
不同電流時結(jié)痂痕特征
式中 Pprod為導線產(chǎn)熱功率;Ploss為導線散熱功率;h為絕緣層表面的換熱系數(shù);ρ為電阻率;aa為電阻溫度系數(shù);T為溫度(s為絕緣表面;c為線芯;o為外部;∞為環(huán)境);r為線芯半徑�！凹訜崞凇宝?0,導線產(chǎn)熱功率小于散熱功率,絕緣層與鋼管內(nèi)部環(huán)境存在負的溫度差,線芯產(chǎn)熱量一部分用來升高導線的溫度,一部分通過絕緣層散失到鋼管內(nèi)�！袄鄯e期”ΔT<0,線芯溫度達到了絕緣層熱解溫度,絕緣層開始熱分解。鋼管作為良好的熱導體,常溫下導熱系數(shù)為45 W/(m·K)[18],散熱速率遠大于空氣,使線芯熔斷需要的溫度更高,因此,穿管導線發(fā)生熔斷電流值增加了1.5Ie,電流增加極大降低了發(fā)生火災的危險。由公式(2)可知,導線產(chǎn)熱功率正比于電流的平方,則電流增大線芯溫度越高,絕緣層通過熱傳導和熱輻射得到的熱量也越大,使絕緣層熱解產(chǎn)生的碳煙越多,線芯溫度也加速了線芯熔化,熔斷時間也會減小�！叭紵凇宝>0,導線產(chǎn)熱功率等于散熱功率,碳煙氣體分布在鋼管內(nèi),高溫使導線在機械性能最弱處開裂,熔斷過程中線芯直徑越來越小,電阻熱逐漸增加,線芯由固態(tài)變成液態(tài),在熔斷處形成液橋,溫度達到銅的沸點時,液橋被拉斷,斷裂處產(chǎn)生了金屬蒸汽,在熱作用下,電子從陰極發(fā)射并向陽極加速運動,動動過程中的電子與金屬蒸汽發(fā)生非彈性碰撞,使金屬蒸汽產(chǎn)生電子雪崩形成電弧[19],電弧溫度[2]如圖7所示。Iarc為電弧產(chǎn)生的電流值,當電流大于4.5 A時,電弧溫度與電流值線性正相關(guān)。5.5Ie電弧溫度為12 238.40 K,遠大于銅的熔點(1 357.77 K),瞬間將導線熔化,產(chǎn)生電弧熔痕和迸濺熔珠,同時引燃套管內(nèi)熱解氣體,引發(fā)導線全線燃燒。
文獻[6]研究表明,3倍以上額定電流導線才能產(chǎn)生斷路電弧引發(fā)火災。因此實驗分別模擬4Ie,4.5Ie,5Ie,5.5Ie,6Ie,7Ie電流時的故障熔化痕跡,每個電流值在相同條件下重復10次實驗以減少誤差。用CCD相機(Canon,5D Ⅳ)記錄導線從通電開始至故障終止整個過程,用體視顯微鏡(Zeiss,Stemi 508)測試樣品宏觀形貌,用100 mL H2O,50 mL HCl以及5 g無水FeCl3固體配制金相腐蝕劑侵蝕試樣磨拋表面6～8 s[17],用金相顯微鏡(Zeiss,Axio Vert.A1)測試樣品金相組織。2 實驗結(jié)果
【參考文獻】：
期刊論文
[1]單股銅導線過電流故障痕跡形成規(guī)律研究[J]. 周廣英,李陽. 武警學院學報. 2017(12)
[2]不同鋼種導熱系數(shù)隨溫度變化規(guī)律的研究[J]. 蒙玉勇,王建軍,周俐,王向紅. 鋼鐵釩鈦. 2013(03)
[3]銅導線短路熔痕的XPS研究[J]. 吳瑩,孟慶山,王新明,高偉,邸曼. 光譜學與光譜分析. 2010(05)
[4]過負荷銅導線金相顯微特征分析[J]. 張金專,劉強,于春華. 火災科學. 2009(04)
[5]金相分析中銅導線的腐蝕劑探討[J]. 葉詩茂,陽世群,王新鋼,祝興華. 消防科學與技術(shù). 2005(03)
博士論文
[1]開關(guān)電器觸頭材料噴濺侵蝕模型研究及其試驗[D]. 吳細秀.華中科技大學 2005
本文編號：3539170
【文章來源】：西安科技大學學報. 2020,40(03)北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
不同電流時結(jié)痂痕特征
式中 Pprod為導線產(chǎn)熱功率;Ploss為導線散熱功率;h為絕緣層表面的換熱系數(shù);ρ為電阻率;aa為電阻溫度系數(shù);T為溫度(s為絕緣表面;c為線芯;o為外部;∞為環(huán)境);r為線芯半徑�！凹訜崞凇宝?0,導線產(chǎn)熱功率小于散熱功率,絕緣層與鋼管內(nèi)部環(huán)境存在負的溫度差,線芯產(chǎn)熱量一部分用來升高導線的溫度,一部分通過絕緣層散失到鋼管內(nèi)�！袄鄯e期”ΔT<0,線芯溫度達到了絕緣層熱解溫度,絕緣層開始熱分解。鋼管作為良好的熱導體,常溫下導熱系數(shù)為45 W/(m·K)[18],散熱速率遠大于空氣,使線芯熔斷需要的溫度更高,因此,穿管導線發(fā)生熔斷電流值增加了1.5Ie,電流增加極大降低了發(fā)生火災的危險。由公式(2)可知,導線產(chǎn)熱功率正比于電流的平方,則電流增大線芯溫度越高,絕緣層通過熱傳導和熱輻射得到的熱量也越大,使絕緣層熱解產(chǎn)生的碳煙越多,線芯溫度也加速了線芯熔化,熔斷時間也會減小�！叭紵凇宝>0,導線產(chǎn)熱功率等于散熱功率,碳煙氣體分布在鋼管內(nèi),高溫使導線在機械性能最弱處開裂,熔斷過程中線芯直徑越來越小,電阻熱逐漸增加,線芯由固態(tài)變成液態(tài),在熔斷處形成液橋,溫度達到銅的沸點時,液橋被拉斷,斷裂處產(chǎn)生了金屬蒸汽,在熱作用下,電子從陰極發(fā)射并向陽極加速運動,動動過程中的電子與金屬蒸汽發(fā)生非彈性碰撞,使金屬蒸汽產(chǎn)生電子雪崩形成電弧[19],電弧溫度[2]如圖7所示。Iarc為電弧產(chǎn)生的電流值,當電流大于4.5 A時,電弧溫度與電流值線性正相關(guān)。5.5Ie電弧溫度為12 238.40 K,遠大于銅的熔點(1 357.77 K),瞬間將導線熔化,產(chǎn)生電弧熔痕和迸濺熔珠,同時引燃套管內(nèi)熱解氣體,引發(fā)導線全線燃燒。
文獻[6]研究表明,3倍以上額定電流導線才能產(chǎn)生斷路電弧引發(fā)火災。因此實驗分別模擬4Ie,4.5Ie,5Ie,5.5Ie,6Ie,7Ie電流時的故障熔化痕跡,每個電流值在相同條件下重復10次實驗以減少誤差。用CCD相機(Canon,5D Ⅳ)記錄導線從通電開始至故障終止整個過程,用體視顯微鏡(Zeiss,Stemi 508)測試樣品宏觀形貌,用100 mL H2O,50 mL HCl以及5 g無水FeCl3固體配制金相腐蝕劑侵蝕試樣磨拋表面6～8 s[17],用金相顯微鏡(Zeiss,Axio Vert.A1)測試樣品金相組織。2 實驗結(jié)果
【參考文獻】：
期刊論文
[1]單股銅導線過電流故障痕跡形成規(guī)律研究[J]. 周廣英,李陽. 武警學院學報. 2017(12)
[2]不同鋼種導熱系數(shù)隨溫度變化規(guī)律的研究[J]. 蒙玉勇,王建軍,周俐,王向紅. 鋼鐵釩鈦. 2013(03)
[3]銅導線短路熔痕的XPS研究[J]. 吳瑩,孟慶山,王新明,高偉,邸曼. 光譜學與光譜分析. 2010(05)
[4]過負荷銅導線金相顯微特征分析[J]. 張金專,劉強,于春華. 火災科學. 2009(04)
[5]金相分析中銅導線的腐蝕劑探討[J]. 葉詩茂,陽世群,王新鋼,祝興華. 消防科學與技術(shù). 2005(03)
博士論文
[1]開關(guān)電器觸頭材料噴濺侵蝕模型研究及其試驗[D]. 吳細秀.華中科技大學 2005
本文編號：3539170
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