弱电短路线材涂层对熔痕形成的影响分析

摘 要：为了定量研究弱电流条件下电气故障的能量变化规律，本文所涉及的实验选择不同线材，分别经过加热、通电处理、不处理等实验过程，制备短路所形成的熔痕，并统计不同熔痕线径比。结合金属氧化层理论、晶体生长热力学和动力学理论，分析不同的线材表面镀层对短路熔痕线径比的影响，探究弱电流引起短路造成线材变化的本质，进而揭示弱电流短路过程中的能量积聚规律。

关键词：弱电流；电气短路；镀层；线径比

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.159

1 前言

随着智能电气的普及，弱电流在生产生活有了广泛的应用，强电流是用作一种动力能源，弱电流用于信息传递，其传输分为有线和无线两种。相比于强电流，弱电流更加隐蔽，人们往往忽视身边弱小电流的危害。随着现代技术的发展，弱电也渗透到了强电领域，如电力电子器件、无线遥控等。随之而来的弱电流故障隐患也不可避免，每年因此造成巨大损失。通常弱电流存在于传统家用电气的待机状态和现代智能电器工作状态。

2 实验方案

为了探究弱电流短路的形成机理和短路熔痕特性，实验模拟在控制变量条件下弱电流短路的事故现场，制备弱电流条件下的短路熔痕。搭建制备一次短路熔痕的实验装置，选择笔记本电脑，汽车电池等常见弱电流工况做实验依据，输出20v、15v恒压直流电，电流上限为1A。选择表面无镀层、表面镀锡、镀铝、镀镁、含铁的USB线材，经千分尺测量不同线材的平均直径在0.200mm至0.220mm之间，每组线材分别包括不处理，通电1A电流5小时，和自然老化无镀层USB线。依次取单股线材，制备短路熔痕，重复三次实验，并对应编号。

3 实验结果

3.1 形状分析

通过视频显微镜对熔痕进行宏观分析，结果表明熔痕有ABCD4类：

其中A类为偏置的球缺式，在表面无镀层、镀锡的线材通电或加热处理后的线材中，以A类熔痕为主，且A类熔痕出现明显的氧化膜破裂痕迹。B类为球式，在含铁的线材中，正负极都主要呈现这种形状，表明氧化膜覆盖完整，部分熔痕不圆润，呈现多面体形状。C类为柱状无明显变形式，在无镀层自然老化线材与表面镀铝的线材中，多呈现C模型，该模型熔痕端与导线分界过度区长，熔痕沿导线，呈现与导线形状相同的圆柱形。前三类出现在20v恒压源短路熔痕中。D类为球串式，出现在15v恒压源短路实验中，熔痕是多个小球串在一起形成的，线材熔痕区最长。

3.2 实验线径比分析

经过试验，实验线材表面金属氧化物熔点比纯金属高，表一每组线材，氧化处理后短路熔痕线径比会比未处理大。纯金属中，镀层为铁的线材线径比最大，且其余线材线径比与镀层金属熔点成正比关系。表面氧化处理后，线径比的变化与金属氧化物熔点之间不符合上述关系。

动力学分析：Pilling和Bedworth最先关注氧化膜的完整性和致密性，以PBR作为氧化膜的致密性判据，PBR表示金属与其氧化物的体积比值。

金属氧化时，PBR<1，氧化物不能完全覆盖金属表面，称为开豁性金属，此时氧化膜不具保护性。因此以MgO作为表面保护的氧化膜，熔痕生长受到的约束应力最小。PBR数值还会影响到氧化膜生长的速度。实验线材在80℃的加热处理和通电处理，温度都比较低，氧化膜在这样条件下形成，可以应用金属氧化膜的低温生长规律。

当PBR<1时，氧化膜生长满足直线速度定律，一定温度下，氧化速度与膜厚度无关，氧化膜厚度与氧化时间成正比，适用于镁的氧化；当PBR接近1时或不超过15%，氧化膜生长满足抛物线定律，给定条件下，由于氧化膜能够覆盖整个熔痕表面，具有保护作用，进一步氧化，反应物需要穿过膜来扩散传质，导致膜生长速度与膜厚度成反比，该定律适用于纯铁、铜和镍。

热力学分析：热力学理论目前有很多，以Wagner抛物线氧化理论为代表，主要解释金属氧化的动力和提出氧化膜的生长模型。Wagner抛物线氧化理论适用于表面已经生成一层致密氧化膜的金属高温氧化，即对应于实验中短路过程，因为实验采用的线材已经氧化处理，导线表面有致密氧化膜，且此时温度超过一千度。金属氧化时的自由能变化和氧化膜中成分的浓度梯度是高温氧化反应的驱动力。

过冷度与再结晶理论：液态金属在理论结晶温度下不能结晶，而必须在一定过冷温度下才能进行。而根据热力学定律，体系状态稳定性由自由能高低判断。晶体自发地从液相转变为固相所需驱动力便是两种状态的自由能之差。将熔体温度T低于结晶理论温度Tm的差值称为过冷度。在熔体生长系统里，熔点温度Tm代表熔体与晶体两相热力学平衡。熔体生长驱动力可以用以下公式表示：

F = （lm × ΔT） /（Tm ×Ωs ）

lm为单原子熔化潜热，ΔT = Tm-T为熔体的过冷度，Tm为熔点，Ωs为单原子体积。

3.3 熔痕体积分析

对于模式A的正极熔痕，采用球缺体积公式 估算熔痕体积，本实验中深度 ，取半径 ，D为熔痕沿线径方向深度，W为熔痕宽度。

对于模式B采用球的体积公式V=4/3πR^3；C模型采用圆柱体积公式V=πLR^2，L为熔痕在沿线方向的长度。D模型就可以看作多个B模型的加和，本文将具体介绍前三种。已知线径比w=W/Φ，即熔痕宽度与线材直径之比，在计算中，W近似为熔痕直径，所以短路线材半径r一定时，熔痕半径R=wr也一定。

4 结论

本次实验中，我们发现弱电流条件下的短路，时间非常短，在示波器下都难以记录，而接入的检测设备又会影响电流大小。另一方面，短路的线材无法用常规的欧姆表测量，因此在计算能量时没有采用Q=∫I2 Rdt，为了更加准确的计算短路的能量，今后将要通过这种直接积分法来计算能量。

参考文献：

[1]李铁藩.金属高温氧化和热腐蚀[J].北京：化学工业出版社，2003（04）.

[2]刘 娟 等.AgGaS2晶体生长过程中的过冷度研究[J].2004（02）.

基金项目：2013年公安部消防局科研计划（2013XFCX13），广东省自然科学基金项目（S2013010013225）