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精品问道法金相性金相砂纸问道法金相性点王金相问道力 中山大学 硕士学位论文电气火灾导线熔痕实验和金相分析 姓名:韦媚媚 申请学位级别:硕士 专业:工程热物理 指导教师:梁栋 20100615 中山火学硕，学位论文 中山大学硕士学位论文:电气火灾导线熔痕实验和金相分析 专业:工程热物理 硕士生:韦媚媚 指导教师:梁栋 摘 要 近年来我国低压电气线路火灾事故频发，造成了大量的人员伤亡和财产损失，其中导致电气火灾的主要原因是电气导线短路故障。因此，加强对电气火灾过程的实验研究，对提高火灾物证鉴定的准确性具有重要意义。本文针对低压线路常见电气火灾的导线火烧和短路熔痕物证的鉴别问题，在实验室分别对铜导线设置不同加热温度、冷却方式和保温时问进行火烧或高温的模拟实验，以及施加不同电流进行一次短路、一次短路后经受不同火场温度、二次短路的模拟实验，得到相应的对比金相图谱，并用实际案例对实验的合理性进行比对验证。并应用定量金相分析方法，采用适当的数字图像技术获取金相图中组织，以研究不同加热条件、电流对电气火灾金相结果的影响，得出了火灾环境和金相特征参数的关系曲线。关键词:低压线路;电气火灾;物证鉴定;熔痕实验;数字图像;金相分析 电气火灾导线熔痕实验和金相分析 ,,,,,:,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,; ,,,,,,,, ,, ,,,;,,,;,, ,,,, ,,,, ,,, ,,:,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,;, ,,,,:,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,:,,,,, ,,,, ,,,,,,;, ,,,,,‟, ,,,;,,,;,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,,？,,,,,, ,, ,,;,,, ,,,,,，,,,;, ,,, ;,,,,, , ,,,,, ,,,,,, ,, ;,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,(,,, ,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,;,,,;,, ,,,,, ,, ,,,,,,;,,;,,,(,,，,,‟, ,,,,,,,;,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,;,,,;,, ,,,,, ,,,;,,, ,,, ,,, ,;;,,,;, ,, ,,,, ,,,,,,;, ,,,,,,,,;,,,,,(，, ,,,, ,,,,,，,,,,,,,, ,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,—;,,;,,, ,,,,, ,, ,,,, ,,,,，;,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, ;,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,凹,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,, ,,, ;,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,, ,,,,, ;,,;,,,，,,, ,,;,,,,,, ,,,,,,;,,;,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,, ,,,,, ;,,;,,,，,,,, ,,, ;,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,;,,,, ,,, ,,,,(,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,; ,,,,,,,,，,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,;, ,,,,;,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,;,,,,，,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,, ;,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,;,,,,,;,,,, ,,,,,,, ,, ,,,;,,,;,, ,,,,，笛,,,, ,,;,,,,;,,,,,,,; ;,,,,, ,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,;,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,(,,, ,,,,,:,,,,,,,,,,, ,,,;,,,;,,,;,,,;,, ,,,,;,,,,,,;, ，,,,,,,,;,,,,,;,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,, ，,,,,;,,,,,,,,,,,,,; ,,,,,,,, 一(，，— ;(,, ,年,月，弓日 论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:韦娟翊,,期:伽,,,年„月‖,, 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 、，学位论文作者签名:韦媚墙导师签名:球,日期:确，,年,月, ,日 日期:如,,年,月, , 日 中山大学硕士学位论文 第一章绪 论,(,研究背景和意义 在当今社会，电能在作为生产和生活的重要能源为人类服务的同时，由于多种因素的影响，重大电气火灾事故不断发生，这已成为备受社会关注的问题。大量火灾经公安机关调查表明,?,:目前，我国电气火灾在火灾原因和火灾直接经济损失方面都排在各类火灾统计数目的首位，如图,(,、图,(,所示。,,,,”,,,,,,年十五年间，全国共发生火灾总数为,,,(,,万起，电气火灾,,(,,万起，平均占火灾总数,,(,,。火灾损失,,,,,,,(,万元，电气火灾损失,,,,,,(,万元，平均占火灾损失,,(,,。 在我国，按起火直接原因分类，电气火灾一般是指由电气线路、用电设备、器具以及供配电设备发生的故障，并且释放高温、电弧、电火花等热能，在具备燃烧条件下引燃本物体或其他可燃物而造成的火灾。厂房或车间是重大电气火灾的多发场所，占,,(,,,‟,;其次是商场商店和住宅;再次是娱乐建筑、饭店、办公房和汽车等。有关资料显示，在所有汽车火灾中，因电气故障引起的火灾占,,,左右【,,。 从统计数据可知【卜,】，电气火灾显然已成为影响我国社会消防安全的主要类别，其表现为这些主要特征:发生起数多、损失巨大;低压线路上的重大火灾非常突出，,,,,”,”,,,,年重特大电气火灾发生起数最多的是电线或电缆(线路)占,,(,,,，而且其中大部分都发生在低压线路上;其次由电器具引起的占,,(,,,;另外是由照明器具引起的占,,(,,,，如图,(,所示。近十年来，造成我国重大火灾的主要原因是短路、过热、接触不良、过负载、漏电，所占比例高达,,(,,，其中，短路是引发重大电气火灾最严重的故障形式，占百分比高达,,(,,,，如图,(,所示。 要确定火灾责任归属，解决矛盾和纠纷，减少和防止火灾的再发生，必须做好火灾原因调查和痕迹物证认定的工作。因此，对我国电气火灾原因和物证 分析认定方法进行科学、完整的研究，意义十分重大。 电气火灾导线熔痕实验和金相分析 ,,,,,,,,,年电气火灾起薮所占比倒分布圈 ,, ,,( 『,,(, 。„,( , ,,(,， 、, , 船((比,,倒，、 。(, ,,,(,, ,,(,, ,,? ,, „,( (, ,,,(,: , , ? (, „, (,。 ， ,,(,,, ,„ (‖ ,,,(,, 柏 ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,?, ,,?,?, ,,?, , ,?, ,?,??,?, ,,(,, ‟ ,?, ,二 ,?, 图卜, ,,,,””,,,,年电气火灾起数所占比例分布图【,】 ,,,,,,,,,,年电气火灾所造成的直接财产损失所占比饲分布圈 ,,(,, 。,(蛄 ,, 忒‟ „，。 、,,?,, ,, (, „, 么 柚 ,,?,, (,比 „, ,。 „,饲,? 弘(,, , ,,(，, ,,( ,, 撕?,, ?„—— ‟,,(, ,,(, , ,(, ,, 年, ,?, ,的, ,,,, ,,, ,?, ,?, ,,?,,?,?, ,?, ,,,, ,,,, ,,,, ,?, ,?, 图卜, ,,,,””,,,,年电气火灾所造成的直接财产损失比例分布卧,, 一,一 …，,大学颅，学似沧卫 ,,,,;,,,,,,,日,,，,‟，,,,??,《，,,，,“(‟)?,?图 ,,～,,女„ 电气,, 自气,? , , ,, ,, ,, ,, ? ,, ，, ? ,, ,, ,】 图， , ,,,,,,,,,年我国重特大电气火灾发乍起教按起火源所占比例分布图,, ，驰,,,,,,,?,?,,，女,,,,,,月,,,?,自??,‟‟?,,? ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,刚,, —, , ， ,,, 萎 ,自,, 一,日, ???????????????一…口 ???—?,,,? ，? , 圈,, ,,,:卜，,,,,年拽,目苇特大电,;火灾按起火啄田的缱汁分析致据口,， 电气火火导线焙痕实验和丘,相分析 图,,,电气火灾物证痕迹种类 圈，,,(，车,,,,火烧熔痕蔺 圈，,,一次短路导线培瘸 幽,(,二次短路导线熔痕 中山大学硕十学位论文 电气火灾物证熔痕就是导线在火场火焰、导线过载或者电气导线短路电弧高温作用下形成的圆形、凹坑形、瘤形、尖形或其他不规则形状的微熔化或者全熔的痕迹，按照发生原因可分为很多种，如图,(,所示。火烧熔痕如图,,,、,,,所示。短路故障导致的熔痕可以分为两种:火灾前发生短路故障产生熔化痕迹的一次短路熔痕，如图,(,所示:火灾后发生短路故障产生熔痕的二次短路熔痕，如图,,,所示。这些是需要鉴定的重要物证。 到目前为止，电气火灾原因物证鉴定难度较大，对火灾痕迹物证的调查主要凭借经验，为了提高物证鉴定的准确性，必须进行深入的研究;其次，在火灾物证中对电气痕迹物证与火灾环境关系的定量分析有待于进一步研究。针对这些问题，本文结合目前消防研究的实际案例，研究了电气线路火灾发生最常见的原因、痕迹物证分析鉴定方法。这对于进一步查找火灾原因、预防火灾发生，保障消防安全都具有积极的意义。,(,国内外电气火灾痕迹物证鉴定方法研究现状,(,(,国外研究现状 (,)电气火灾产生原因的研究 研究表明，国外电气火灾问题非常突出，造成的后果十分严重。在建筑物火灾中，由电气线路引起的火灾占很大的比例。从美国国家火灾数据中心的统计数据中得知，从,,,,年到,,,,年问美国电气火灾在全部火灾案例中所占的比例迅速上升睁引。另外，英国、德国和日本等国家也存在这样的问题，因此这些国家对电气火灾更加重视【,】，把线路电气火灾当作防火和研究的重点，取得过系统性的研究成果。 目前，国外对电气线路故障引起发的火灾问题的研究集中在短路、 过载、接触不良、漏电以及保护装置失效原因的调查研究【,,„, ,,，并细致分析了每种原因。 同时，线路连线和插头导电片与插座之间接触不良及铜、铝线相接等所导致的“发热”而致使连线、插头处绝缘发生“热降解”到被“引燃”的发展过程在接触不良认定中也受到关注,,?,,。另外，文献吲对绝缘材料受热老化、含碳绝缘材料在长期的一定曝热作用下变得具有导电性，电气设施布置不当对接地导体漏电等原因认定进行了研究。几乎在所有的建筑火灾现场都可看到电线问放电产生的电路熔痕。 而对于汽车火灾，美国、日本、韩国等相关研究开展较早，有的已将汽车火灾原因调查做到标准化和系统化。 (,)电气火灾痕迹鉴定方法的研究 电气火灾导线熔痕实验和金相分析 在国外，线路电气火灾调查和认定的研究，主要围绕电气故障进行，其中短路电弧起火的认定受到高度重视〔,,,,,,。目前，日本、美国、原苏联、瑞士等国家，在电气火灾原因调查认定上，在铜导线熔痕物证鉴定方面形成了自己的鉴定技术: 早先日本【,,,在管状炉式装置中，输入氮、二氧化碳时则通过带硅橡胶玻璃阀，经减压而送入管状炉内，形成不同环境气氛条件下的一次短路熔痕和二次短路熔痕，并进行了外部形貌特征、金相组织、微观形貌等特征比较性观察，得出了一组有价值的结论:一次短路熔痕难以引起铜组织初晶的生长，却几乎全部被细微的共晶组织所占;二次短路熔痕在共晶发生之前，铜的初晶已具有生长的特征;日本学者,,,—,,,,,, ,,,等人采用扫描电子显微镜、,(射线散射分析仪作了形貌观察和表面成分分析，并采用拉曼光谱对熔痕中碳化残留物结构进行测定，得知一次短路导线熔痕中含石墨化碳和不定型碳，而二次短路导线熔痕中只含不定型碳〔,,,,,】，并且可通过测定晶体中树枝状结晶臂间隔和氧化物浓度来估计造成短路熔痕的环境温度【, ,,。 美国,, ,】采用的金相检验分析技术，基于微观结构，确定铜导线熔痕是火灾加热所致，还是电流通过导体产生高热而形成，用以鉴别导线的火烧熔痕和短路熔痕。 原苏联专利【,,提出的,射线方法，可研究火场中提取的导线结构，据熔痕显示出的星茫现象，来认定导线熔痕是短路产生的还是火烧产生的。 瑞士【,】采用的表面分析方法，着重分析火场提取的导线熔痕表面附着物，来判定熔痕的成因，但熔痕外表面成分的数据，由火灾燃烧的复杂程度决定，分散性较大。 总之，国外对电气火灾痕迹物证鉴定十分重视对电路熔痕的鉴定【,,,，通过对火灾发生后电路导体的外观检查法来判定熔痕特性，并采用金相检验分析技术，基于微观结构，可判定铜导线的熔痕是火灾加热导致还是电流通过导体发生高热而致【,,,。,(,(,国内研究现状 我国【,,】对常见的建筑物中由短路、过负载、接触不良、漏电等电气故障引发的电气火灾，主要从定性和简单的定量方法进行了论述。文献〔,,,,,】详细分析了我国电气火灾的原因，其中线路短路是造成电气火灾最突出的原因，有文献【,,】对由接地故障形成短路点接触电阻大的电弧性短路火灾的机理作了详细讨论。 自,,年代以来，我国已研究并形成了多种电气火灾原因技术鉴定方法。迄今，具有代表性的是公安部沈阳消防科学研究所提出并已编制成国家标准的主要有六种鉴定技术方法〔,,,,,】:宏观鉴别法、成分分析法、剩磁法、微观形貌法、模拟试验法、金相分析法，以及这些方法的综合分析技术方法，技术水平达到了国际先进水平。但各种鉴别技术均有一定的适用范围和局限性。 中山人学硕士学位论文 近年来，我国火灾原因调查机构对汽车火灾的越发关注，其物证鉴定的科学研究也逐渐成熟。在火灾原因调查过程中，痕迹物证鉴定是关键。,,, ,年我国公安部承担的科研项目《汽车火灾现场勘验与鉴定技术的研究》，是国内首次综合性的汽车火灾物证提取技术和物证鉴定技术研究，其中所用的鉴定技术和建筑电气火灾的类似。 (,)宏观鉴定法 一般先做初步宏观鉴别，再做金相分析，最后得出结论。观察导线熔痕的宏观状态，初步判断熔痕是火烧还是短路导致的，再根据熔珠空洞内表面的光泽程度、颜色、纹迹、空洞多少来确定短路性质,,,‟,,。 (,)成份分析法 此法是分析短路熔珠空洞内表面所含的元素成份重量百分比的差异，判断短路的性质，可配合金相分析使用，相互验证可使结论更准确。 该法利用,射线能谱仪对材料表面元素成分进行分析，也可以采用俄歇电子表面分析系统，但后者价格比较昂贵。能谱分析不可以单独使用，必须与扫描电子显微镜配套.