01/ 摘要簡介 /

The process and mechanism of breakdown induced cable insulation exposed to conductor heating caused by overload were investigated. The time from the beginning of the overload to the occurrence of an electrical arcing event was measured. A mathematical equation between the average time of the initial breakdown and current was established for 220 VAC distribution systems. The phenomena in these experiments were captured with a high-speed camera. The times and durations of arcing events occurring repeatedly were documented throughout the whole process, which could present some information associated with the possibility of this fault to ignite combustibles. The formation process of breakdown was evaluated theoretically. The established mathematical equation to calculate the average time of the initial breakdown could be employed to predict the interval between overload occurrence and breakdown arcing. The formation process of arc beads was affected by the hot environment created by breakdown and insulation combustion. Kinds of metallographic microstructure of arc beads might be found during a test, such as dendritic segregation structure, equiaxed recrystallized grains, and cylindrical crystals. This work could provide basic data for determining the breakdown occurrence attributed to overload.

本文研究了過負(fù)荷引起的導(dǎo)體發(fā)熱誘發(fā)導(dǎo)線絕緣擊穿的過程和機(jī)理。測量了從過負(fù)荷開始到電弧發(fā)生的時(shí)間。建立了220VAC下導(dǎo)線初次擊穿平均時(shí)間與電流之間的數(shù)學(xué)方程。使用高速攝像機(jī)捕捉記錄了多次電弧發(fā)生的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間。同時(shí)，對(duì)擊穿發(fā)生過程中的傳熱過程進(jìn)行了理論分析。發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線熔痕的形成過程受到擊穿和絕緣燃燒產(chǎn)生的熱環(huán)境的影響，形成不同金相組織特征，如枝晶偏析組織、等軸再結(jié)晶晶粒和圓柱形晶體。該研究可為認(rèn)定因過負(fù)荷引起的擊穿故障提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

02/ 背景介紹 /

過負(fù)荷作為一種常見電氣故障，在超過導(dǎo)體額定電流足夠高且持續(xù)時(shí)間足夠長時(shí)，易造成電氣線路損壞甚至引發(fā)火災(zāi)。過負(fù)荷會(huì)引起導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)熱，使導(dǎo)線的熱塑性絕緣材料熱解炭化。當(dāng)導(dǎo)線絕緣受到內(nèi)部導(dǎo)體的持續(xù)加熱作用時(shí)，電導(dǎo)率會(huì)隨著絕緣熱解程度的增加而發(fā)生變化。絕緣的熔化或炭化會(huì)在火線和零線之間形成導(dǎo)電通路，進(jìn)而發(fā)生短路擊穿。對(duì)于火災(zāi)調(diào)查人員來說，準(zhǔn)確認(rèn)定通電導(dǎo)線故障是否為火災(zāi)原因非常重要，但目前關(guān)于過負(fù)荷誘發(fā)電弧形成機(jī)制的研究鮮有發(fā)表。

03/ 研究內(nèi)容 /

在該項(xiàng)研究中，研究人員利用中國人民警察大學(xué)自研過負(fù)荷模擬設(shè)備（見圖1），首先模擬過負(fù)荷誘發(fā)導(dǎo)線短路并發(fā)生燃燒的全過程（見圖2）。基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，研究人員從傳熱學(xué)角度詳細(xì)分析了過負(fù)荷導(dǎo)線的傳熱過程（見圖3），考慮到實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線長度有限，環(huán)境溫度對(duì)導(dǎo)線中間部位的溫度分布影響小，理論上此位置容易發(fā)生擊穿。這一理論也得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，初次短路擊穿有72.5%發(fā)生在中間區(qū)域。

圖1 中國人民警察大學(xué)自研過負(fù)荷模擬設(shè)備

圖2 導(dǎo)線短路擊穿及燃燒過程

圖3 導(dǎo)體發(fā)熱引起的過負(fù)荷導(dǎo)線傳熱理論分析

隨后，對(duì)短路擊穿的初次發(fā)生時(shí)間、多次擊穿間隔時(shí)間和持續(xù)時(shí)間分別進(jìn)行分析。建立了220VAC下導(dǎo)線初次擊穿平均時(shí)間與電流之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄒ妶D4），可用于預(yù)測電流值大小與擊穿發(fā)生之間的時(shí)間關(guān)系。同時(shí)，使用高速攝像機(jī)捕捉到多次擊穿現(xiàn)象，并監(jiān)測到多次擊穿的間隔時(shí)間（見圖5）。結(jié)果表明，多次電弧的持續(xù)時(shí)間很短，甚至只有幾秒鐘，但在一次實(shí)驗(yàn)中多可有18次拉弧，這在實(shí)際火災(zāi)調(diào)查工作中，會(huì)給調(diào)查人員準(zhǔn)確溯源起火位置帶來非常大的困難。

圖4 導(dǎo)線初次擊穿平均時(shí)間與電流的關(guān)系

（a）多次擊穿發(fā)生過程

（b）多次擊穿的間隔時(shí)間分析

圖5 過負(fù)荷導(dǎo)線發(fā)生多次擊穿的過程和時(shí)間特征

研究人員對(duì)比分析了過負(fù)荷導(dǎo)線形成的熔痕特征。由于熔痕在形成過程中會(huì)受到擊穿和絕緣燃燒耦合的熱環(huán)境影響，從而形成不同的形貌和金相特征（見圖6）。在此次研究中發(fā)現(xiàn)，同一過負(fù)荷條件下，導(dǎo)體線端熔痕和電弧熔珠會(huì)形成多種金相組織，如枝晶偏析組織、等軸再結(jié)晶晶粒和圓柱形晶體（見圖7），這將為電氣火災(zāi)物證鑒定工作提供更多數(shù)據(jù)參考，提高火災(zāi)原因認(rèn)定的準(zhǔn)確性。

圖6 過負(fù)荷導(dǎo)線形成的熔痕形貌特征

圖7 線端熔痕和電弧熔珠形成的金相組織特征

04/ 結(jié)論 /

本文研究了8種過負(fù)荷工況下，護(hù)套導(dǎo)線的電弧發(fā)生過程和擊穿特性。本實(shí)驗(yàn)中，過負(fù)荷導(dǎo)線發(fā)生的擊穿的電流臨界值為45A，72.5%的初次擊穿發(fā)生在導(dǎo)線中間位置，且初次擊穿平均時(shí)間與電流值呈指數(shù)遞減關(guān)系。電弧發(fā)生時(shí)常會(huì)連續(xù)拉弧多次，在導(dǎo)線上形成多處熔痕，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)電弧熔珠，其外部形貌和金相組織特征具有明顯差異。因此，在實(shí)際火災(zāi)調(diào)查中，調(diào)查人員不能僅依據(jù)電弧熔痕特征認(rèn)定電氣故障的起火原因。

更多詳細(xì)完整內(nèi)容請(qǐng)參閱原文，原文下載及引用：
Yang Li et al. Analysis of overload induced arc formation and beads characteristics in a residential electrical cable.Fire Safety Journal, 2022.

DOI：10.1016/j.firesaf.2022.103626

主要作者介紹
孫燁，西安科技大學(xué)博士生，碩士畢業(yè)于中國人民警察大學(xué)火災(zāi)調(diào)查技術(shù)專業(yè)，主要研究鋰離子電池安全、電氣火災(zāi)、事故調(diào)查等相關(guān)領(lǐng)域。參與省部級(jí)以上科研課題3項(xiàng)，在國際國內(nèi)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文4篇。

李陽，副教授，工學(xué)博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事電氣火災(zāi)調(diào)查及物證鑒定工作，累計(jì)參與調(diào)查火災(zāi)80余次，完成電氣物證鑒定任務(wù)800余次，分析現(xiàn)場檢材樣品5000余個(gè)，主持譯著世界權(quán)威火災(zāi)調(diào)查指南NFPA921和NFPA1033原則與實(shí)踐《火災(zāi)調(diào)查員》，主持省部級(jí)以上項(xiàng)目11項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利5項(xiàng)，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文40余篇。

呂慧菲，西安科技大學(xué)博士后，講師，主要從事電氣故障電弧引燃機(jī)理、電氣火災(zāi)金屬熔化痕跡特征、基于金屬熔痕反演引燃結(jié)果預(yù)測方法等相關(guān)研究工作。參與自然科學(xué)基金等項(xiàng)目5項(xiàng)，在國際國內(nèi)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，其中SCI 10篇，EI 2篇，授權(quán)發(fā)明專利5項(xiàng)。曾獲博士研究生獎(jiǎng)學(xué)金，中國消防協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)年會(huì)論文三等獎(jiǎng)，陜西省創(chuàng)新成果三等獎(jiǎng)，獲得留學(xué)基金委資助聯(lián)合培養(yǎng)博士生項(xiàng)目。

自研設(shè)備合作工程師

任永，河北石家莊本誠電氣科技有限公司總工程師，主要負(fù)責(zé)本文中“電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置”的研發(fā)工作，設(shè)計(jì)過電流誘發(fā)短路故障電路，實(shí)現(xiàn)短路過程中電壓、電流的高速采集，從而實(shí)現(xiàn)電弧的識(shí)別與計(jì)算。聯(lián)系方式：13831140146，郵箱：13831140146@163.com.