不同受热温度下一次短路熔珠显微特征分析

为考查冷却条件对导线一次短路熔珠显微组织的影响,实验模拟室内火灾的热环境,对一次短路熔珠进行加热处理,观察温度、加热时间对不同线径铜导线一次短路熔珠金相组织的影响.实验结果表明:温度及加热时问对铜导线一次短路熔珠的金相组织有较大影响,随着温度的升高,时间的增加,在达到某一温度后,细小的柱状晶逐渐长大,一次短路熔珠的细小晶粒变成粗大的柱状晶或胞状晶,有的甚至表现为等轴晶,与铜导线的火烧熔珠的金相组织特征有些相似.     

电气火灾一次短路熔痕金相组织特征参数定量分析

电气火灾一次短路熔痕鉴别和判定对分析火灾原因和事故认定至关重要,而目前金相分析方法目前处于经验和半经验水平,缺乏定量分析手段.本文开展不同电流条件下(100A至300A,间隔为20A)铜导线一次短路模拟实验,制作相应短路熔痕金相图谱.同时引入描述金相组织特征参数,基于Image - ProPlus应用数字图像处理技术提取图谱的金相组织特征参数量化指标,讨论金相组织晶粒和孔洞尺寸变化的特点,实现金相微观组织特征参数和电流之间的关系数据对比分析,探讨一次短路熔痕金相组织的量化判据和变化规律.     

基于PCA-BP神经网络的多股铜导线 熔痕定量金相识别方法研究

为实现火灾现场中多股铜导线熔痕的自动识别,采用主成分分析(PCA)和反向传播(BP)神经网络算法对四种多股铜导线熔痕(一次短路熔痕、二次短路熔痕、过负荷熔痕和火烧熔痕)的金相组织进行了识别研究。利用Image-Pro Plus 6.0和Axio-Imaging软件获取每种熔痕30组17维金相组织参数数据,采用PCA对四种熔痕共120组数据降维,获得前6个主成分得分矩阵,建立具有6个输入层节点,10个隐层节点和4个输出节点的神经网络模式识别模型。随机抽取每种熔痕的20组样品的主成分得分矩阵作为训练集,将每种熔痕的剩余10组主成分得分为测试数据,输入最终训练完成的模型进行识别,其识别准确率达到92.5%。实验结果表明采用PCA+BP神经网络的算法,可以较好地实现多股铜导线熔痕识别,为火灾物证鉴定工作提供了有力的工具。     

铜导线短路熔痕的SEM/EDS分析

在电气线路火灾原因的调查中,为更好地区分铜导线一次短路与二次短路的熔痕特征,用扫描电子显微镜(SEM)和X-射线能谱仪(EDS)对2种熔痕的形貌和相应的元素成分进行了试验研究。结果表明:铜导线一次短路与二次短路熔痕的表观形貌特征和元素成分具有明显的不同,二者的区别主要表现在熔痕表面所含的气孔、元素种类及导线本体与熔痕之间的过渡区方面,一次短路熔痕表面气孔多,元素种类少,导线与熔痕之间有明显界限,二次短路熔痕则相反。该研究结果可以区分短路熔痕形成的环境气氛,以此判断导线短路熔痕类型,为电气线路火灾原因的调查提供科学依据。     

铜导线短路熔痕微观形貌特征分析与研究

采用模拟实验的方法制备了铜导线一次短路熔痕和二次短路熔痕,利用KYKY-2800B型扫描电子显微镜(SEM)对铜导线一次短路熔痕和二次短路熔痕的微观形貌进行了观察,并对内部气孔的数量、大小、分布等进行了统计分析,发现了一次短路气孔的数量、分布与二次短路之间的差别与长期采用的鉴定依据不同.     

基于Bayes判别模型的火场中铜导线短路熔痕 定量金相鉴定方法研究

借助计算机图像处理技术,改进了定量金相分析方法,测量了20个一次短路熔痕和20个二次短路熔痕的金相组织,对数据进行了主成分分析,提炼出了晶粒特征因子、气孔特征因子和复合因子三个主成分,基于Bayes判别法建立了火场中短路熔痕定量金相分析判别模型,经自身检验和交互检验,准确率均高于80%,充分满足鉴定要求,为更加有效地应用定量金相法鉴别短路熔痕提供了理论依据。     

单芯铜线过电流故障电弧熔痕的微观特征研究*

为准确认定电气火灾中过电流故障,模拟4~7倍额定电流（Ie）条件下单芯铜导线过电流故障,利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）分析过电流故障电弧熔痕的组织特征,并结合Image-Pro Plus软件测定晶粒直径、周长和面积,探究金相组织的量化判据和变化规律。结果表明:当I＝4Ie时,过电流故障电弧熔痕的金相组织主要为方向性较强的树枝晶;当I＝5Ie,6Ie时,金相组织内树枝晶占比减小,胞状晶占比升高;当I＝7Ie时,方向性较弱的胞状晶占主导。随着电流增加,晶粒的平均直径、周长和面积均呈增长趋势。通过火灾案例分析可知,实验结果与现场的电弧熔痕组织特征基本相符,验证火灾事故原因为过电流故障。     

ZR-BV单芯铜线过电流故障电弧熔痕特征研究

为准确认定电气火灾事故中的过电流故障,模拟在不同电流条件下ZR-BV单芯铜线的过电流故障,通过逐帧分析高速影像研究导线发生过电流故障时的变化过程,使用金相分析技术分类研究过电流导线电弧熔化痕迹的组织特征。结果表明:当I≥4Ie时,导线发生熔断,断路电弧将引燃热分解后的绝缘热解气体,造成火灾的蔓延扩大;过电流导线电弧熔断痕与火烧熔痕的宏观特征较为相似,但喷溅熔痕和发散状熔痕是过电流导线所特有的;枝晶偏析组织是过电流电弧熔断痕的典型组织,且随着电流值的升高,枝晶偏析组织分布范围明显扩大,几乎不再出现等轴状组织。     

过负荷铜导线金相显微特征分析

为考查铜导线金相组织随截面积、过负荷时间、倍数以及加热温度、加热时间、冷却方式的变化规律,本实验制备了不同线径的铜导线过负荷不同倍数和不同时间的试样,然后对过负荷铜导线在不同温度下加热不同时间并采取自然或喷水的方式进行冷却。通过观察过负荷铜导线试样的金相组织,分析过负荷铜导线金相组织随其形成条件的变化规律。结果显示,随过负荷时间的延长,铜导线金相组织由最初的纤维状组织变成柱状或等轴晶粒;过负荷倍数越大,形成的晶粒越大;当过负荷痕迹形成后,在低于其形成温度下加热,不影响其金相组织;导线截面积和冷却方式对铜导线金相组织影响不大。在实际火灾调查过程中利用过负荷铜导线的金相组织特征来证明火灾事实时,要综合考虑过负荷的形成过程。     

基于Matlab的短路熔痕凝固过程中熔体温度测算方法*

为解决无法对瞬时凝固的熔痕高温熔体进行测温,从而致使火灾物证鉴定界对短路熔痕组织形成规律无法达成共识的问题,使用高速摄像机采集熔痕形成时熔体的彩色影像,运用Matlab图像色温识别技术,对熔体凝固时的色彩变化进行识别与分析,从而建立测算短路熔痕凝固速率的方法。结果表明:该方法的平均标准差为9.63,标准不确定度为2.55 K,计算结果满足测试要求;在测算的10个熔痕中,灭弧瞬间熔体温度为1 734.03~2 759.15 K,初始冷却速率为-255.16~-86.61 K/ms,凝固时长为46.45~87.99 ms;灭弧时熔体温度与初始冷却速率呈近似正相关关系,与熔痕体积无关。通过此方法测算短路发生时高温熔体的温度变化,可为研究短路故障迸溅熔痕引燃、熔痕组织变化规律提供方法支持。     

电气火灾残留物的SEM分析方法研究

通过分析电气火灾的形成原因,总结出该类型火灾的残留物种类。然后利用电焊机和电阻炉等设备分别制备出铜铝导线的一、二次短路熔痕和火烧熔痕,电热丝的通电过热和火烧熔痕,并运用了目前一种新式有效的显微结构分析工具——扫描电子显微镜,对以上样品的表面进行微观形貌的观察、比较与分析。通过分析讨论,可以发现电气火灾残留物在火灾前后其表面的微观形貌特征存在明显不同。根据这些特征能够很轻易的鉴别出电气设备在火灾发生前的使用状态,从而推断出火灾是否由该电气设备引发而起。此项结论能够为从事火灾调查的人员对电气火灾原因的准确认定提供可靠依据,也能够为扫描电子显微镜技术的应用领域进行拓宽提供一些帮助。     

着床后引燃对电弧迸溅熔珠组织特征的影响*

为探究迸溅熔珠着床后的热交换过程对其组织特征的影响,建立基于着床后高温迸溅熔珠的动态测温方法,从而揭示迸溅熔珠着床后引燃与否对其组织特征形成的影响规律。研究结果表明:引燃可燃物的熔珠受火焰热反馈和铜氧化放热的共同作用,着床后其温度出现反复波动,延长迸溅熔珠的冷却凝固时间,组织呈等轴状;无法引燃可燃物的熔珠在可测范围内,短暂升温后降温速率持续上升,组织更易呈现树枝状或胞状。研究结果可为准确认定电气故障电弧迸溅熔珠引发火灾提供技术支持。     

Influence of thermal environment on metallographic structure characteristics of the electric arc bead pattern

Electrical apparatuses are prone to arc, which generally causes a fire, even an explosion hazard, when a flammable gas mixture is present, especially during industrial processes. Terrible fire scenes are challenging for fire investigations. In this work, by performing a simultaneous thermal analysis test we simulated a fire environment and found that as the oxygen concentration decreased, the oxidation/exothermic peak temperature of ‘cause’ bead became higher, but the melting temperature was unaffected. Results indicated that the bead pattern underwent oxidation at approximately 831 °C, melting initiated at approximately 1060 °C, and the pattern then disappeared. The melted pattern grain changes were divided into three critical temperature stages: Approximately 600 °C, the onset temperature at which the melted pattern grains began to be equiaxed; approximately 831 °C, at which the grains were interspersed with oxygen-containing material; and 831–1060 °C, when the grains disappeared, which is a criterion for identifying electrical fires. However, the boundaries remained throughout the thermal environment process. Moreover, the bead pattern demonstrated three metallographic regions: Deep layer (Region I), the intermediate layer (Region Ⅱ), and surface layer (Region Ⅲ). Region I was the most thermally sensitive, in which equiaxed crystals first appeared. Region Ⅲ was the thermal reaction lag zone, in which the typical branching crystals finally disappeared, and Region Ⅱ was intermediate between Regions I and Ⅲ. The results may help fire investigators determine the fire scene temperature stages and provide support for fire evidence extraction.     

Numerical simulation and experimental study on metallographic structure characteristics of melting trace caused by overcurrent fault of copper wire

The microscopic characteristics of melting trace caused by copper wire fault are an important basis for the physical evidence identification of electrical fires. Metallography is an important method in electrical fire research, and computer-aided quantitative analysis on metallographic structure is common in materials aspect. In this study, the metallographic structure and phase composition characteristics of melting trace caused by overcurrent fault were explored with the aid of a metallographic microscope and an X-ray diffractometer (XRD). The results show that the grains are mainly slender dendritic and columnar crystals when the current is 128 A, while they are coarse dendritic and cellular crystals when the current is greater than 192 A; the average grain diameter of melting trace of copper wire grows with the increase in current. The main phases of melting trace caused by overcurrent fault of copper wire are α-Cu base and Cu₂O, and the new phases Cu₄Si and Cu₂Mg are formed when the current is higher than 160 A. In addition, the solidification process of metallographic structure of copper wire under different currents was simulated by the Procast software. It is found that the simulation results are basically in agreement with the experimental data, which suggests that this model can effectively predict the microstructure characteristics of melting trace of copper wire under different currents. The research results can provide a sound basis for the physical evidence identification of electrical fire and improve the accuracy and scientificity of electrical fire investigation.