王晶晶　张　辉

(1.阜阳市颍泉区消防大队，阜阳 065000；2.中国人民武装警察部队学院消防工程系，廊坊 065000)



刀闸开关熔丝短路残留物形貌特征分析

王晶晶1张辉2

(1.阜阳市颍泉区消防大队，阜阳 065000；2.中国人民武装警察部队学院消防工程系，廊坊 065000)

摘要：利用火灾痕迹物证综合实验台，制备熔丝在下属电路不同短路条件下的残留物，用扫描电子显微镜对熔丝残留物形貌特征进行观察、分析。结果表明，在不同的短路条件下，电流越大，熔丝残留物表面氧化物越少，断口处的韧窝越大、越深。通过模拟实验可以鉴别刀闸开关熔丝在火灾前是否处于短路状态以及判定其短路程度。

关键词：刀闸开关熔丝；短路；残留物；形貌特征；扫描电子显微镜

1前言

随着社会经济的持续发展，全国用电量不断增加，电气火灾发生的数量高居不下，每年都带来巨大的经济损失,重大的人员伤亡。例如我国2008年火灾13.7万起，其中电器火灾4.1万起，占总数的29.9%[1-4]。电气火灾中不少是与刀闸开关熔丝短路有关的。对于短路火灾的认定，其关键问题是能够通过导线残留物，确定其在火灾发生前的状态，这是认定此类火灾原因的关键性问题[5]。本实验通过模拟实验，制备熔丝在下属电路不同短路条件下的熔丝残留物，利用扫描电子显微镜对其形貌特征进行拍摄、记录。对得到的熔丝残留物的特征图片进行对比，分析其在不同短路条件下的形貌特征，总结出其中的差别与规律性，以此来鉴别其在火灾前是否处于短路状态以及判定其短路程度。

2实验

2.1　仪器和材料

(1)KYKY2800B型扫描电子显微镜(北京中科科仪公司)：分辨率6 nm(钨丝)，放大倍数为15～250000×(W.D12nm)，加速电压为0～30 kV。

(2)火灾痕迹物证综合实验台：频率50 Hz，输出电压380 V。

(3)额定电流分别为5A、10A、15A的熔丝。

2.2　熔丝短路残留物的制备

在刀闸开关的底座上接入熔丝，通过调压器调节电压来设定电路中的电流为10倍、15倍、20倍额定电流，分别获得不同规格熔丝在不同短路电流下的残留物。

3结果与分析

3.1　熔丝缺损长度

熔丝在短路时，容易产生喷溅熔珠，残留物表面大多附着有片状熔体，熔丝缺损较多，残留部分少，并在胶盖残留熔丝熔融气化产生的喷溅痕迹，形成颗粒熔珠粘附在电闸盖内壁及闸面上，并有灰白色痕迹，如图1所示。短路时，由于瞬间产生的大电流通过，使得熔丝的温度迅速升高，快速熔化并可能被气化，产生 “爆断”现象，所以造成短路时熔丝的缺损量较多；同一规格的熔丝，不同短路条件下短路电流越大，熔丝的缺损量越多。同一短路条件下，规格越大的熔丝，缺损越多，如表1所示。

表1　短路时熔丝缺损长度　cm

3.2　熔丝爆断时间

同一规格的熔丝：短路时，爆断所用的时间较短，短路电流越大，爆断的速度越快；不同规格的熔丝，在同一倍率的额定电流下，额定电流越大的熔丝，熔断所需的时间越短，如表2所示。

表2　短路时熔丝爆断时间　s

3.3　熔丝短路残留物形貌特征分析

3.3.1　表面形貌特征

(1)低放大倍率形貌特征

在低倍下，熔丝表面熔断痕迹，有小细纹，表面光滑，熔断痕呈弧形，表面光滑，熔断区端部略粗于本体，熔断痕与本体有明显界线，熔断区域上端呈棒槌状，并附着有少量氧化物，如图2(a)、图2(b)所示。

图1　熔丝的缺损长度

图2　熔丝短路残留物表面低倍形貌

(2)高放大倍率形貌特征

在高倍下，熔丝表面比较光滑，有大量块状花样，大小均匀，而且排列紧密，虽然短路时温度较高，但高温持续的时间较短，所以氧化物较少，部分氧化物脱落。如图3(a)、图3(b)所示。

图3　熔丝短路残留物表面高倍形貌

3.3.2　断面形貌特征

(1)低放大倍率形貌特征

短路熔痕因在形成时冷却速度快，过冷度大，凝固过程较短，因此，熔丝在熔化时所吸收的气体还没有来得及与熔丝充分反应和逸出时，就截留在内部组织中。断口处不平整，呈蜂窝状，表面粗糙，断口附近有明显的宏观塑性变形，表面呈纤维状，纤维区所占的面积较大，并有少量附着物。如图4 (a)、图4 (b)所示。

图4　熔丝短路残留物断面低倍形貌

(2)高放大倍率形貌特征

断口形态呈抛物线形卵形花样，高倍像下洞底部有裂纹、有放射状花样，孔洞均匀细密、比较规则，卵形韧窝是由在较大的夹杂物或第二相粒子先形成大韧窝核，当大韧窝在长大过程中，其自由表面与一个小韧窝连通，这时小韧窝完成附着在大韧窝上，其形貌类似卵形。同时金属材料本身的塑性直接影响显微空洞的聚集、连接的方式[6]；短路时熔丝表面的温度较高，使晶界熔融熔化，导致晶界被氧化，断口处的韧窝直径较大，深度较浅，内部有很多裂纹。如图5 (a)、图5 (b)所示。

图5　熔丝短路残留物断面高倍形貌

4结论

通过模拟实验可以鉴别刀闸开关熔丝在火灾前是否处于短路状态以及判定其短路程度。

(1)不同短路条件下，短路电流越大，熔丝的缺损量越多。同一短路条件下，规格越大的熔丝，缺损越多。

(2)不同短路条件下，熔丝残留物表面低倍形貌略有不同，短路电流越大，熔断痕与本体之间的界线越明显；高倍形貌则有明显区别：短路电流越大，表面附着的氧化物越少。

(3) 不同短路条件下，熔丝残留物断面低倍形貌基本相同，高倍形貌则有明显区别：随着短路电流增大，断口处韧窝有变大、变深的趋势。

参考文献

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[2] Okamotok,Watanabe N, Hagimoto Y. Deterioration in Tracking Resistance of Dielectric Materials Caused by Thermal Degradation[C] . Proceedings of the 1st Conference of the Association of Korean-Japanese Safety Engineering Society,1999:231-234.

[3] Kat suhiro Okamoto, Hideki Sato. Fire causes in elect rical plugs[ R]. National Research institute of police Scinece,1998:47-52.

[4] 张金专,刘礼义.闸刀开关过载火灾危性险研究[J].武警学院报,2007,23(12):53-55.

[5] Hietaniemi J, Mangs J, Hakkarainer T. Burning of Electrical Household Appliance-An Experimental Study. RN-2084 VTT, 2001:11-15.

[6] 钟群鹏,赵子华.断口学[M]. 北京:高等教育出版社,2005:131-161.

Morphology characters study on fuse short circuit residuum of knife switch.

WangJingjing,ZhangHui

(1.TheFireDetachentofFuyang,Fuyang23600,China; 2.TheInstitutoftheChinesePeople’sPoliceForces,Langfang06500,China)

Abstract:In this paper, the integrated experimental system of material evidence for fire trace is used to make fuse residuum by simulating different degree of short circuit. The scanning electron microscope can be utilized to observe and analyze the morphology characters on fuse short circuit fesiduum. The results indicate that in the different degree of the short circuit, the larger the current is ,the less the amount of the oxide on the fuse fesiduum’s surface is; the larger the current is ,the bigger and deeper the dimple of fuse fesiduum is.We can identify whether the fuse short circuit residuum caused in front of the fire and also can determine the extent of short circuit.

Key words：knife switch fuse;short circuit;fesiduum;morphology characters;scanning electron microscope

收稿日期：2014-10-17

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.02.015

作者简介：王晶晶，女，1987年出生，研究生，助理工程师，2012年毕业于中国人民武装警察部队学院。