Влияние токов перегрузки на формирование структуры металла в зонах разрушений медных проводников

В последние годы в условиях непрерывного развития науки и техники растет число новых электроприборов высокой мощности, использующихся в повседневной жизни людей. Это увеличивает потребление электроэнергии в расчете на человека и приводит к скрытому развитию аварийного режима работы электросети в виде токовых перегрузок.

Протекание по проводам сверхтоков, вызванных токовой перегрузкой, при отсутствии или неисправности аппаратов защиты может сопровождаться нагревом проводников до температуры самовоспламенения изоляции и (или) расположенных вблизи горючих материалов [4, 5]. В этих случаях на жилах проводников возникают протяженные участки поверхностного оплавления с характерными зонами утолщений и утончений, имеющих сходство с последствиями внешнего теплового воздействия [1]. Таким образом, нередко после пожара эксперту необходимо определить природу имеющихся на токоведущих жилах повреждений, в частности, отличить результат протекания аварийного процесса в электросети от последствий внешнего термического [3].

В работе для проведения исследования использовали медные одножильные проводники в поливинилхлоридной изоляции сечением 0,5 мм2, 0,75 мм2, 1 мм2.

Перегрузку электрической сети имитировали в нормальных условиях окружающей среды с помощью нагрузочного трансформатора электросварочного аппарата «BestWeld PR300» при силе тока 65А, 80А, 150А, 200А, 300А. Проводники длиной 30 см закреплялись на весу зажимами электросварочного аппарата.

Металлографические шлифы образцов готовили с использованием шлифовально-полировального станка «Шлиф-2M-V». Травление поверхности шлифов осуществлялось протиранием ватным тампоном, пропитанным раствором хлорного железа в соляной кислоте. Исследование микроструктуры проводилось на металлографическом микроскопе МЕТАМ РВ-21.

При анализе структуры микрошлифов медных проводников се- чением 1мм2 (рис. 1) установлено, что во всех образцах основу сплава составляет медь (на фото светлые участки). При силе тока 65А, 80А и 150А на поверхности и по границам зерен меди наблюдается небольшое количество смеси меди и оксида меди (Cu+Cu2O) – эвтектики, наличие газовых пор и участков с дендритным строением. Часть микроструктуры представлена зернами меди, имеющими равноосную структуру (структуру равномерной кристаллизации при высокой температуре). На основании этих данных можно сделать вывод о наличии в месте оплавления микроструктуры сплава с признаками, формирующимися при протекании аварийного режима работы электросети как в нормальных условиях окружающей среды, так и в условиях повышенных температур.

а)                                         б)

в)

г)

д)

Рис. 1. Микроструктуры шлифов медных проводников сечением 1мм2, полученных при токах перегрузки: а) 65А; б) 80А; в) 150А; г) 200А; д) 300А

При силе тока 200А на поверхности и по краям зерен меди наблюдается незначительное количество смеси меди и оксида меди - эвтектики (Cu+Cu2O), зерна меди имеют равноосную структуру, газовые поры. Подобная структура металла формируется в условиях высоких температур и пониженного содержания кислорода, т.е. в условиях пожара.

При силе тока 300А на поверхности и по краям зерен меди наблюдается значительное количество смеси меди и оксида меди - эвтектики

(Cu+Cu2O), зерна меди имеют дендритное строение, что характерно для аварийных режимов в нормальных условиях окружающей среды.

При анализе структуры микрошлифов медных проводников сечением 0,75 мм2 (рис. 2) установлено, что во всех образцах основу сплава составляет медь (на фото светлые участки). При силе тока 65А, 80А и 150А на поверхности и по границам зерен меди присутствует оксид меди в виде эвтектики (Cu+Cu2O), значительное количество сплава меди и оксида меди наблюдается при силе тока 65А. Также на всех образцах имеются участки с дендритным строением (шлиф сделан поперек дендритов). При силе тока 65А и 150А имеются газовые поры, при 80А – газовые поры отсутствуют. Часть микроструктуры представлена зернами меди, имеющими равноосную структуру. При силе тока 65А наблюдается видоизменение оксида меди и его коагуляция. На основании этих данных можно сделать вывод о наличии в месте оплавления микроструктуры сплава с признаками, формирующимися при протекании аварийного режима работы электросети как в нормальных условиях окружающей среды, так и в условиях повышенных температур.

При силе тока 200А на поверхности и по краям зерен меди наблюдается небольшое количество смеси меди и оксида меди – эвтектики (Cu+Cu 2 O), зерна меди имеют равноосную структуру, имеются газовые поры. Подобная структура металла формируется в условиях высоких температур и пониженного содержания кислорода, т.е. в условиях пожара.

При силе тока 300А на поверхности и по краям зерен меди наблюдается большое количество смеси меди и оксида меди – эвтектики (Cu+Cu 2 O), зерна меди имеют дендритное строение, имеются газовые поры. Такое строение характерно для аварийных режимов в нормальных условиях окружающей среды.

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 2. Микроструктуры шлифов медных проводников сечением 0,75мм2, полученных при токах перегрузки: а) 65А; б) 80А; в) 150А; г) 200А; д) 300А

При анализе структуры мик- щими равноосную структуру. При рошлифов медных проводников се- силе тока 65А наблюдается видоиз-чением 0,5 мм² (рис. 3) установлено, менение частиц оксида меди и их что во всех образцах основу сплава коагуляция. На основании этих дан-составляет медь (на фото светлые ных можно сделать вывод о наличии участки). При силе тока 65А и 80А на в месте оплавления микроструктуры поверхности и по границам зерен сплава с признаками, формирующи-меди наблюдается небольшое коли- мися при протекании аварийного чество смеси меди и оксида меди – режима работы электросети как в эвтектики (Cu+Cu 2 O), наличие газо- нормальных условиях окружающей вых пор и участков с дендритным среды, так и в условиях повышенных строением (шлиф сделан поперек температур.

дендритов). Часть микроструктуры       При силе тока 150А на по- представлена зернами меди, имею- верхности и по краям зерен меди наблюдается небольшое количество смеси меди и оксида меди – эвтектики (Cu+Cu2O), зерна меди имеют равноосную структуру, газовые поры. Подобная структура металла формируется в условиях высоких температур и пониженного содержания кислорода, т.е. в условиях пожара.

а)

в)

г)

ВЕСТНИК ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО

ИНСТИТУТА МВД РОССИИ

д)

Рис. 3. Микроструктуры шлифов медных проводников сечением 0,5мм2, полученных при токах перегрузки: а) 65А; б) 80А; в) 150А; г) 200А; д) 300А

При силе тока 200А и 300А на поверхности и по краям зерен меди наблюдается большое количество смеси меди и оксида меди – эвтектики (Cu+Cu 2 O), зерна меди имеют дендритное строение (шлиф сделан поперек дендритов), газовые поры. Такое строение характерно для аварийных режимов в нормальных условиях окружающей среды.

Как видно, структура металла в зоне оплавления медного проводника зависит от тока перегрузки, величина которого влияет на интенсивность и особенности прогрева медного проводника, а также разрушения и воспламенения его изоляции.

В результате исследования зон оплавлений медных проводников установлено:

• -    при силе тока 65 А, 80 А и 150 А (кроме проводника сечением 0,5 мм²) шлифы зон оплавлений проводников имеют микроструктуры металла, схожие со структурами, формируемыми при коротком за-

• мыкании электропроводки как в нормальных условиях окружающей среды, так и в условиях пожара;

• -    зоны оплавлений проводников сечением 0,5 мм², образованные при силе тока 150 А, и сечением 0,75 мм² и 1 мм², образованные при силе тока 200 А, имеют микроструктуры металла, схожие со структурами, формируемыми при коротком замыкании электропроводки в условиях пожара;

• -    зоны оплавлений проводников сечением 0,5 мм², образованные при силе тока 200 А и 300 А, и сечением 0,75 мм² и 1 мм², образованные при силе тока 300 А, имеют микроструктуры металла, схожие со структурами, формируемыми при коротком замыкании электропроводки в нормальных условиях окружающей среды.

Таким образом, при перегрузке электрической сети в условиях нормальной окружающей среды, когда данный аварийный режим может послужить причиной пожара, в зоне оплавления возможно формирование структуры металла, схожей со структурой, формируемой при коротком замыкании электропроводки в условиях пожара. Данный феномен связан с влиянием величины токов перегрузки на интенсивность и особенности прогрева медного проводника, а также разрушения и воспламенения его изоляции.

Известно, что изоляция провода может загореться только при токовой перегрузке, имеющей кратность выше определенного значения. Так, для кабеля с медной жилой сечением 0,5 мм2 номинальная сила тока составляет 11 А, 0,75 мм2 – 15 А, 1 мм2 – 17 А. Следовательно, при кратности перегрузки медного проводника 11–14 в нормальных условиях окружающей среды возможно формирование структур, характерных для условий пожара. Для исключения ошибочных выводов по причине пожара экспертам в данном случае необходима информация о нагрузке электрической сети, т.е. о мощности потребителей электрической энергии.

В целом полученные данные согласуются с результатами работ [2, 6]. В работе [6] установлено, что при увеличении кратности перегрузки вытянутые структуры металла сменяют равноосные. В работе [2] отмечается, что зерна в оплавлениях при токовой перегрузке кратностью более 3–4 имеют различную форму (дендритные, вытянутые или равноосные) и ориентацию. При этом авторы отмечают, что при пе- регрузках кратностью менее 8–9 содержание кислорода в зоне оплавления варьируется от 0,10 до 0,39 % и более. При кратностях перегрузки более 8–9 концентрация кислорода в большей части объема оплавления остается на уровне – 0,05 %. Таким образом, в данных работах не рассматривается переход от равноосной формы зерен в оплавлении к смешанной при токах перегрузки кратностью более 11–14.