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.
本文研究了過負荷引起的導體發熱誘發導線絕緣擊穿的過程和機理。測量了從過負荷開始到電弧發生的時間。建立了220VAC下導線初次擊穿平均時間與電流之間的數學方程。使用高速攝像機捕捉記錄了多次電弧發生的次數和持續時間。同時，對擊穿發生過程中的傳熱過程進行了理論分析。發現導線熔痕的形成過程受到擊穿和絕緣燃燒產生的熱環境的影響，形成不同金相組織特征，如枝晶偏析組織、等軸再結晶晶粒和圓柱形晶體。該研究可為認定因過負荷引起的擊穿故障提供基礎數據。
02/ 背景介紹 /
過負荷作為一種常見電氣故障，在超過導體額定電流足夠高且持續時間足夠長時，易造成電氣線路損壞甚至引發火災。過負荷會引起導體內部發熱，使導線的熱塑性絕緣材料熱解炭化。當導線絕緣受到內部導體的持續加熱作用時，電導率會隨著絕緣熱解程度的增加而發生變化。絕緣的熔化或炭化會在火線和零線之間形成導電通路，進而發生短路擊穿。對于火災調查人員來說，準確認定通電導線故障是否為火災原因非常重要，但目前關于過負荷誘發電弧形成機制的研究鮮有發表。
03/ 研究內容 /
在該項研究中，研究人員利用中國人民警察大學自研過負荷模擬設備（見圖1），首先模擬過負荷誘發導線短路并發生燃燒的全過程（見圖2）。基于實驗現象，研究人員從傳熱學角度詳細分析了過負荷導線的傳熱過程（見圖3），考慮到實驗導線長度有限，環境溫度對導線中間部位的溫度分布影響小，理論上此位置容易發生擊穿。這一理論也得到了實驗驗證，初次短路擊穿有72.5%發生在中間區域。
圖1 中國人民警察大學自研過負荷模擬設備
圖2 導線短路擊穿及燃燒過程
圖3 導體發熱引起的過負荷導線傳熱理論分析
隨后，對短路擊穿的初次發生時間、多次擊穿間隔時間和持續時間分別進行分析。建立了220VAC下導線初次擊穿平均時間與電流之間的經驗模型（見圖4），可用于預測電流值大小與擊穿發生之間的時間關系。同時，使用高速攝像機捕捉到多次擊穿現象，并監測到多次擊穿的間隔時間（見圖5）。結果表明，多次電弧的持續時間很短，甚至只有幾秒鐘，但在一次實驗中多可有18次拉弧，這在實際火災調查工作中，會給調查人員準確溯源起火位置帶來非常大的困難。
圖4 導線初次擊穿平均時間與電流的關系
（a）多次擊穿發生過程
（b）多次擊穿的間隔時間分析
圖5 過負荷導線發生多次擊穿的過程和時間特征
研究人員對比分析了過負荷導線形成的熔痕特征。由于熔痕在形成過程中會受到擊穿和絕緣燃燒耦合的熱環境影響，從而形成不同的形貌和金相特征（見圖6）。在此次研究中發現，同一過負荷條件下，導體線端熔痕和電弧熔珠會形成多種金相組織，如枝晶偏析組織、等軸再結晶晶粒和圓柱形晶體（見圖7），這將為電氣火災物證鑒定工作提供更多數據參考，提高火災原因認定的準確性。
圖6 過負荷導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/ 結論 /
本文研究了8種過負荷工況下，護套導線的電弧發生過程和擊穿特性。本實驗中，過負荷導線發生的擊穿的電流臨界值為45A，72.5%的初次擊穿發生在導線中間位置，且初次擊穿平均時間與電流值呈指數遞減關系。電弧發生時常會連續拉弧多次，在導線上形成多處熔痕，同時會產生多個電弧熔珠，其外部形貌和金相組織特征具有明顯差異。因此，在實際火災調查中，調查人員不能僅依據電弧熔痕特征認定電氣故障的起火原因。
更多詳細完整內容請參閱原文，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，西安科技大學博士生，碩士畢業于中國人民警察大學火災調查技術專業，主要研究鋰離子電池安全、電氣火災、事故調查等相關領域。參與省部級以上科研課題3項，在國際國內期刊發表學術論文4篇。
李陽，副教授，工學博士，碩士研究生導師，主要從事電氣火災調查及物證鑒定工作，累計參與調查火災80余次，完成電氣物證鑒定任務800余次，分析現場檢材樣品5000余個，主持譯著世界權威火災調查指南NFPA921和NFPA1033原則與實踐《火災調查員》，主持省部級以上項目11項，申請發明專利5項，發表高水平學術論文40余篇。
呂慧菲，西安科技大學博士后，講師，主要從事電氣故障電弧引燃機理、電氣火災金屬熔化痕跡特征、基于金屬熔痕反演引燃結果預測方法等相關研究工作。參與自然科學基金等項目5項，在國際國內期刊發表學術論文10余篇，其中SCI 10篇，EI 2篇，授權發明專利5項。曾獲博士研究生獎學金，中國消防協會科學技術年會論文三等獎，陜西省創新成果三等獎，獲得留學基金委資助聯合培養博士生項目。
自研設備合作工程師
任永，河北石家莊本誠電氣科技有限公司總工程師，主要負責本文中“電氣火災故障模擬及痕跡制備裝置”的研發工作，設計過電流誘發短路故障電路，實現短路過程中電壓、電流的高速采集，從而實現電弧的識別與計算。聯系方式：13831140146，郵箱：[email protected].
