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低压线路短路火灾的机理及原因认定

beihua  发表于 2010/9/25 10:11:30      1167 查看 2 回复  [上一主题]  [下一主题]

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       摘要针对目前电气火灾中最为突出的低压线路短路火灾,从火灾发生的原因、形成机理, 以及从火灾现场短路痕迹的获取、外观识别、金相组织鉴定等方面综合认定短路起火并加以论述。
         关键词         低压线路        电气短路      火灾原因认定
        低压电气线路发生电气短路故障,造成短路回路电流剧增,产生高温或电弧,引燃线路绝缘层或短路故障处可燃物所造成的火灾称之为低压线路短路火灾。目前,低压线路短路造成的电气火灾事故最为严重. 了解和掌握此类火灾发生的机理和火灾原因认定方法.对有效遏制当前电气火灾日益上升的势头,改善消防安全环境有着十分重要的现实意义。
         1 低压线路短路火灾原因分析
         1.1 短路常见原因
         a. 绝缘线路长时问受外部高温、作用而失去绝缘能力。
         c. 绝缘线路敷设过低,受碰撞、挤压绝缘损坏。
         d. 绝缘线路穿墙过洞或穿越楼板未穿管保护,摩擦损伤绝缘。
         e. 裸电线安装太低,搬运金属物件时不慎碰在电线上,线路上有金属物件或小动物跌落,发生电线之间的跨接。
         f. 架空线路电线间距太小,档距过大,电线松驰,架空线与建筑物、树木距离太近,造成电线与建筑物或树木接触。
        g. 电线机械强度不够,使电线断落接触大地,或断落在另一根电线上。
        h. 雷击或供电电源过电压,使导线绝缘薄弱处或正常绝缘被击穿。
         i. 线路过载或连接处接触不良造成线路过热导致绝缘损坏。特别是,线路常常因过负载的长期热作用积累最终引起短路发生,如图1所示。
        j. 爬电燃弧起火。爬电电弧是在导体之间产生的燃弧现象。它不是建立在空气间隙中的电弧,而是出现在设备绝缘表面上的电弧。如常用的电源插头有一个或多个相线插脚和保护线(PE线)、中性线插脚,彼此之间的绝缘表面可能发生爬电燃弧起火。绝缘表面爬电是缓慢形成的一种绝缘故障。
        没备工作环境中的空气中如含有潮气,当空气由热变冷时潮气就凝结在绝缘表面,在两导体问形成一能微弱导电的液膜。两导体间因电位差而产生一很小的电流。电流的热效啦使液体气化,但液膜中的盐分和导电尘埃等却遗留在绝缘表面上。这一过程周而复始,循环不已,遗留在绝缘表而上的盐分和导电尘埃不断增多,其导电性也随之提高,使爬电电流缓慢增大。当导电性达到一定程度时,即使不存在水分的绝缘表面也能导电。电流产生的热量能使绝缘碳化,绝缘表面出现星星火花而逐渐形成爬弧。它能使绝缘失效、设备损坏,若近旁有可燃物也可引燃起火。
        同样道理,当设备所处环境污秽不堪,同时导体间距离过近或电压过高,造成绝缘不良(或绝缘击穿),都容易在导体问产生爬电起火。
         1.2 不同性质短路火灾危险性分析
        按照短路时短路故障处不同电位导体之间的接触状态,短路一般l义分为金属性短路和电弧性短路。
        1.2.1 金属性短路起火
        当不同电位的 导体接触时,短路电流通过接触电阻而产生高温,使接触点金属熔化焊牢,其阻抗叮忽略不计,形成金属性短路,由于短路回路阻抗小,短路电流可达线路的几百倍甚至几千倍。
        当短路保护电器失效拒动(如熔丝误被铜、铁丝代替,断路器失效拒动),短路状态持续,短路电流产生的高温可使整条线路沿绝缘层燃烧,甚至使线路全长线芯烧红外露,线路所至附近的可燃物均会引发起火.
         金属性短路虽然起火危险大,但只要短路防护电器安装符合规范要求,并保持其防护的有效性,这种短路火灾是可以避免的
         1.2.2 电弧性短路起火
        根据高电压技术可知, 空气的击穿场强为30 kV/cm,而一般 业与民用低压供电电压低于400V,正常电压不会造成绝缘或空气间隙击穿导电。
        线路形成短路时.短路故障处相接触的导体往往会因为下述原因脱离接触,同时在接触点形成的空气间隙处产生电弧:短路回路阻抗大,短路电流小,使接触处的金属不能熔化焊牢:金属熔化产生收缩或在电动力作用下脱离接触。
        此时的电弧温度高,可达2 000~4 000 cc,会引燃众多的可燃物及导线绝缘。此种方式产生电弧所需电压低、电流小。一般在接触点, 只要电压超过12 V,回路电流超过0.25 A,就会产生电弧。如铜触点的最小生弧电压为13 V,最小生弧电流为0.43 A。而低压线路发生短路时,故障处的接触电压及通过的短路电流通常都超过生弧电压和电流,因而电弧不但容易形成,而且往往持续发生。因电弧电压降大(表现为高阻抗),首先会限制短路电流的增大,使正常安装的短路保护装置不动作或动作不及时,另一方面短路电流仍将超过线路安全电流,高温和持续电弧成为危险的起火源。
         因此.电弧性短路起火的危险性远大于金属性短路起火。实际中,线路短路火灾大多为电弧性短路所引起。
         1.2.3 接地故障电弧性短路起火
         a. 电气施工中,导线穿钢管时.导体绝缘外皮之间并无相对摩擦(或很小),但外皮与钢管间的摩擦却使绝缘磨薄或受损。供电系统故障产生的暂态过电压击穿绝缘劣化处而形成电弧起火。
         b. 雷击时瞬变电磁场在相邻电缆(电线)的线芯上感应的瞬态过电压是基本相同的,而电缆梯架则因接地而成为地电位,电缆与梯架间接触点的绝缘却因一再受雷电过电压的冲击而受损。雷电产生的瞬态过电压击穿绝缘劣化处而形成电弧起火。
        由上述可见,接地故障是线路电弧性短路故障的主要原因,线路短路火灾大多为接地故障引起。
         2 线路短路火灾认定要点
        根据分析可知,短路火灾的形成是由于导体绝缘层被破坏,线路对地或线路之间产生短路故障所致,以电弧性短路起火居多。其特点是短路点往往留下电弧作用的短路熔痕,一般起火点位于短路点附近,并在相关回路上造成异常反应。
         2.1 获取现场勘查证据
         a. 确认的起火点处有短路点、短路熔痕。短路熔痕形式多样,可出现在线路上、接地金属等物体上,甚至出现喷溅熔珠。当发生二次短路时,熔痕不只一处。应仔细查找,初步判定并提取证明短路的熔痕。
         b. 线路短路保护熔断器的熔丝或熔断片呈“爆断”状态,或断路器开关处于断开位置。
         c. 短路点附近有最初点燃的可燃物质残留物,并有以此为中心向周围蔓延的痕迹物证。
        d. 发生短路的同一回路导线远离火场部分,绝缘层无变化。
        2.2 技术鉴定
         对提取熔痕经综合分析鉴定,发现有外观、金相组织、成分组成等符合一次短路特征的熔痕:
        a. 短路熔珠。短路熔珠是指短路瞬间导线被熔断后,留在熔断导线端部的圆珠状熔化痕迹。它与形成短路时间和导线的接触有关。短路熔珠的形态表现不尽一致,有的较大且凝结在导线端的正中,有的歪斜在线端的一侧。当导线接触很紧、短路电流很大,全线过热情况下则形成尖状熔珠。
        b. 喷溅熔珠。喷溅熔珠是指导线短路时飞溅的金属液滴在运动中冷却形成的小圆状熔珠。
        c. 短路凹状熔痕。这种熔痕出现在两根导线相对应的位置上.它是在两线并行或互相搭接接触下所形成。由于接触时间短,接触后迅速分离,因而一般不能使导线熔断,只在短路点形成凹状痕。
        d. 短路熔断痕。发生短路时,电弧和爆发力有时将短路点处导线熔断。在短路体上形成对称电熔痕。
        e. 熔化过渡区。由熔痕向导线延伸的一定距离内存在的熔化现象。
        f. 一次短路熔痕。铜、铝导线因自身故障(如机械损伤、老化、经常过负载、高压击穿等原因)于火灾发生之前形成的短路熔化痕迹。
        g. 二次短路熔痕。铜、铝导线在带电情况下,由于火灾热作用使导线绝缘层失效,发生短路而形成的熔化痕迹。
        h. 火烧熔痕。在不带电情况下,火场温度达到导线熔点(铜1 083 oC, 铝659 oC)时,导线被熔化所形成的痕迹。
        2.2.1 一、二次短路熔痕、火烧熔痕外观特征及区别
        一、二次短路熔痕同属于瞬间电弧高温熔化.都具有冷却速度快、作用集中、熔化范围小的形成条件,同时具有短路熔痕的特点。但一次短路发生在自然、正常环境的条件下;二次短路发生在火灾条件下,具有环境温度高、温差小、结晶潜热不易散失、过冷度小的特点。因而表现了一次、二次短路熔痕的各自特征及差异。
        火烧熔痕是导线被火灾热作用造成,其时间、温度均与短路不同,它具有温度持续时间长、火烧范围大、熔化温度低于短路电弧温度的特点。
         短路熔痕、火烧熔痕特征可从熔痕外观状态加以区别:
         a. 熔珠。一次短路铜导线熔珠直径是线径的1~2倍,铝导线熔珠直径是线径的1~3倍。熔珠的位置在导线端部或歪在线端的一侧,有的大熔珠下面导线上还附着有小的熔珠。铜熔珠表面有光泽,铝熔珠表面有一层灰色氧化铝膜和麻点、毛刺。二次短路铜导线熔珠的直径相对大于一次短路熔珠。但又小于火烧形成的熔珠,表面有微小凹坑,光泽性差。铝导线熔珠表面有一层深灰色氧化铝膜,有小凹坑、裂纹及塌陷现象,非熔珠状熔痕端部夹杂有黑色碳化物。火烧形成的铜导线熔珠直径是线径的1~3倍,铝导线熔珠直径是线径的1~4倍。熔珠位于线的端部或中部。熔珠表面光滑,无麻点和小坑,具有金属光泽。
         b. 多股软线。一次短路时, 多股软线端部形成熔痕,与熔痕相连接的导线无熔化粘结痕迹, 其多股细铜丝仍能逐根分离。有的细铜丝端部出现微小熔珠。二次短路时,多股软线端部形成熔痕,与熔痕相连接的导线变硬或粘结在一处.其多股细铜丝不能逐根分离。
        当为火烧熔痕时,多股软线端部形成熔珠或尖状熔痕。熔痕下面的细铜线熔化并粘结在一起.很难再分开。
         c. 熔化过渡区。一次短路时,熔痕与导线之间有明显的熔化与非熔化的分界线.无熔化过渡痕迹。二次短路时, 自熔痕向导线延伸的一段距离内,在导线上有微熔变细的痕迹。
        当为火烧熔痕时,铜、铝导线上有熔化变细,熔化积聚变粗.或形成熔瘤、尖状熔痕,以及在导线上附着带有光泽的小熔珠。
         d. 单芯导线。一次短路时, 铜导线表面形成若干有空腔的半球状熔痕,其间距较均匀,大部分呈黑色.个别也有光泽,铝导线无此特征。二次短路时。在较短的一段导线上出现若干处短路点。当为火烧熔痕时,线与熔珠之间有熔化过渡痕迹,导线明显变细。
         e. 凹坑。当短路时,导线上出现凹坑,并表现在两根导线相对应的位置上。凹坑内表面有光泽但不平滑,有堆积状熔化金属和毛刺,摸之有扎手感。有的凹坑内还沾有微小的同类金属小熔珠。当为火烧熔痕时.铝导线上有被熔化形成的大量凹坑,坑内表面平滑无光泽。铜导线无此特征。
         2.2.2 短路熔痕、火烧熔痕金相组织鉴定
         2.2.2.1 一、二次短路熔痕特征及区别
         一、二次短路熔痕金相组织均呈现为铸态组织。但一次短路晶粒由细小的胞状晶或柱状晶组成:二次短路金相组织被很多气孔洞分割.晶粒由较多粗大的柱状晶或粗大的晶界组成。
        一次短路熔珠金相试样磨面内气孔小而较少,孔洞形状较整齐;二次短路金相试样磨面内的气孔多而较大,且孔洞形状不规整。
        一次短路熔珠与导线衔接的过渡区处金相组织的分界限明显;二次短路熔珠与导线衔接的过渡区处金相组织的分界限不明显。
        一次短路熔珠的晶界较细,孔洞周围铜和氧化亚铜的共晶组织较少且不明显:二次短路熔珠的晶界较粗大,孔洞周围铜和氧化亚铜的共晶组织较多且较明显。
        用偏振光观察时,一次短路熔珠孔洞周围及洞壁的颜色暗淡不鲜明:二次短路熔珠孔洞周围及洞壁的颜色鲜艳明亮,呈鲜红色或桔红色。
        在较复杂的情况下,判定一次短路熔痕或二次短路熔痕时,须结合其他方法及火灾现场的实际情况等进行综合分析判定。
         2.2.2.2 火烧熔痕的特征
         火烧熔痕的金相组织呈现粗大的等轴晶,试样磨面无孔洞,个别熔珠磨面有极少的缩孔,多股铜导线熔痕的试样磨面有未熔的孔隙。
         2.2.3 调查访问获取相关证据
         a. 当事人证实发生火灾前有电灯忽暗或熄灭.电风扇、电动机转速下降等符合短路特征的用电现象。
         b. 当事人证实发生火灾前有电灯、电视异常明亮等电压突然升高的现象(高电压侵入)。
         c. 当事人证实发生火灾前有雷击现象发生(高电压侵入)。
         d. 目击者直接证实短路的部位和短路过程。
        2.3 特殊情况的考虑
        a. 短路大电流引起回路上其他部位故障点起火,造成起火点与短路点相分离,可考虑:接触不良处高温起火;非防护式开关产生电弧、熔断器熔丝爆断喷溅引燃起火。
         b. 短路保护电器未动作,可考虑:熔断器熔丝用其他金属代替;熔断器熔丝规格或断路器保护整定值过大,特别对于远离供电变压器的末端线路易于出现,但极有可能在回路相关电器(如电度表)留下过流痕迹;线路出现电弧性或接触不良的高阻抗短路。
        c. 当短路熔痕或一次短路熔痕无法获取时,则只能利用剩磁法及相关电器过流反应先确定有短路发生,再根据其他证据加以认定。
        3 结束语
        随着现代电器产品的大量涌现和电气线路、设备防火保护措施的日臻完善,电气火灾调查的难度也越来越大。电气火灾物证的现场提取及火灾物证实验室鉴定.常见的绝缘导线短路、过负载、漏电等电致起火机理的研究,以及如何结合实际情况,对所认定的火灾原因进行恰当表述等方面都还有待进一步加强和完善。

 

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