01/ 摘要简介 /
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.
本文研究了过负荷引起的导体发热诱发导线绝缘击穿的过程和机理。测量了从过负荷开始到电弧发生的时间。建立了220VAC下导线初次击穿平均时间与电流之间的数学方程。使用高速摄像机捕捉记录了多次电弧发生的次数和持续时间。同时，对击穿发生过程中的传热过程进行了理论分析。发现导线熔痕的形成过程受到击穿和绝缘燃烧产生的热环境的影响，形成不同金相组织特征，如枝晶偏析组织、等轴再结晶晶粒和圆柱形晶体。该研究可为认定因过负荷引起的击穿故障提供基础数据。
02/ 背景介绍 /
过负荷作为一种常见电气故障，在超过导体额定电流足够高且持续时间足够长时，易造成电气线路损坏甚至引发火灾。过负荷会引起导体内部发热，使导线的热塑性绝缘材料热解炭化。当导线绝缘受到内部导体的持续加热作用时，电导率会随着绝缘热解程度的增加而发生变化。绝缘的熔化或炭化会在火线和零线之间形成导电通路，进而发生短路击穿。对于火灾调查人员来说，准确认定通电导线故障是否为火灾原因非常重要，但目前关于过负荷诱发电弧形成机制的研究鲜有发表。
03/ 研究内容 /
在该项研究中，研究人员利用中国人民警察大学自研过负荷模拟设备（见图1），首先模拟过负荷诱发导线短路并发生燃烧的全过程（见图2）。基于实验现象，研究人员从传热学角度详细分析了过负荷导线的传热过程（见图3），考虑到实验导线长度有限，环境温度对导线中间部位的温度分布影响小，理论上此位置容易发生击穿。这一理论也得到了实验验证，初次短路击穿有72.5%发生在中间区域。
图1 中国人民警察大学自研过负荷模拟设备
图2 导线短路击穿及燃烧过程
图3 导体发热引起的过负荷导线传热理论分析
随后，对短路击穿的初次发生时间、多次击穿间隔时间和持续时间分别进行分析。建立了220VAC下导线初次击穿平均时间与电流之间的经验模型（见图4），可用于预测电流值大小与击穿发生之间的时间关系。同时，使用高速摄像机捕捉到多次击穿现象，并监测到多次击穿的间隔时间（见图5）。结果表明，多次电弧的持续时间很短，甚至只有几秒钟，但在一次实验中多可有18次拉弧，这在实际火灾调查工作中，会给调查人员准确溯源起火位置带来非常大的困难。
图4 导线初次击穿平均时间与电流的关系
（a）多次击穿发生过程
（b）多次击穿的间隔时间分析
图5 过负荷导线发生多次击穿的过程和时间特征
研究人员对比分析了过负荷导线形成的熔痕特征。由于熔痕在形成过程中会受到击穿和绝缘燃烧耦合的热环境影响，从而形成不同的形貌和金相特征（见图6）。在此次研究中发现，同一过负荷条件下，导体线端熔痕和电弧熔珠会形成多种金相组织，如枝晶偏析组织、等轴再结晶晶粒和圆柱形晶体（见图7），这将为电气火灾物证鉴定工作提供更多数据参考，提高火灾原因认定的准确性。
图6 过负荷导线形成的熔痕形貌特征
图7 线端熔痕和电弧熔珠形成的金相组织特征
04/ 结论 /
本文研究了8种过负荷工况下，护套导线的电弧发生过程和击穿特性。本实验中，过负荷导线发生的击穿的电流临界值为45A，72.5%的初次击穿发生在导线中间位置，且初次击穿平均时间与电流值呈指数递减关系。电弧发生时常会连续拉弧多次，在导线上形成多处熔痕，同时会产生多个电弧熔珠，其外部形貌和金相组织特征具有明显差异。因此，在实际火灾调查中，调查人员不能仅依据电弧熔痕特征认定电气故障的起火原因。
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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
主要作者介绍
孙烨，西安科技大学博士生，硕士毕业于中国人民警察大学火灾调查技术专业，主要研究锂离子电池安全、电气火灾、事故调查等相关领域。参与省部级以上科研课题3项，在国际国内期刊发表学术论文4篇。
李阳，副教授，工学博士，硕士研究生导师，主要从事电气火灾调查及物证鉴定工作，累计参与调查火灾80余次，完成电气物证鉴定任务800余次，分析现场检材样品5000余个，主持译著世界权威火灾调查指南NFPA921和NFPA1033原则与实践《火灾调查员》，主持省部级以上项目11项，申请发明专利5项，发表高水平学术论文40余篇。
吕慧菲，西安科技大学博士后，讲师，主要从事电气故障电弧引燃机理、电气火灾金属熔化痕迹特征、基于金属熔痕反演引燃结果预测方法等相关研究工作。参与自然科学基金等项目5项，在国际国内期刊发表学术论文10余篇，其中SCI 10篇，EI 2篇，授权发明专利5项。曾获博士研究生奖学金，中国消防协会科学技术年会论文三等奖，陕西省创新成果三等奖，获得留学基金委资助联合培养博士生项目。
自研设备合作工程师
任永，河北石家庄本诚电气科技有限公司总工程师，主要负责本文中“电气火灾故障模拟及痕迹制备装置”的研发工作，设计过电流诱发短路故障电路，实现短路过程中电压、电流的高速采集，从而实现电弧的识别与计算。联系方式：13831140146，邮箱：13831140146@163.com.
