Эволюция методики определения первичности-вторичности оплавлений медных проводников, вызванных коротким замыканием

ЭВОЛЮЦИЯ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРВИЧНОСТИ-ВТОРИЧНОСТИ ОПЛАВЛЕНИЙ МЕДНЫХ ПРОВОДНИКОВ, ВЫЗВАННЫХ КОРОТКИМ ЗАМЫКАНИЕМ

И.Д. Чешко, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации; А.Ю. Мокряк; А.В. Мокряк.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Рассмотрено развитие методики экспертного исследования после пожара оплавлений медных проводников и определения «первичности-вторичности» короткого замыкания. Приведены примеры того, как современная методика предполагает использование двух методов - рентгенофазового анализа и металлографии.

Ключевые слова: судебная пожарно-техническая экспертиза, первичное короткое замыкание, вторичное короткое замыкание, медный проводник

EVOLUTION OF THE METHODOLOGY OF DISTINGUISHING

«VICTIM» FROM «CAUSE» BEADS OF COPPER CONDUCTORS BY SHORT

CIRCUIT

I D. Cheshko; A.Yu. Mokryak; A.V. Mokryak.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

The development of the expert examination technique after the fire of melting copper conductors and the determination of the «victim» from «cause» short circuit are considered. Examples are given of how a modern technique involves the use of two methods - X-ray phase analysis and metallography.

Keywords: judicial fire-technical expertise, «victim» bead short circuit, «cause» bead short circuit, copper conductor

В судебной пожарно-технической экспертизе методика установления «первичности-вторичности» короткого замыкания (КЗ) относится, наряду с методикой обнаружения остатков интенсификаторов горения (средств поджога), к наиболее востребованным. Причина этого очевидна - так называемая «электротехническая» версия возникновения пожара рассматривается практически на каждом электрифицированном объекте. К тому же это одна из первых инструментальных методик, разработка которой резко поменяла ситуацию с технической вооруженностью пожарно-технического эксперта; до этого единственным его инструментом были собственные глаза, бумага и ручка.

С развитием современной техники развивалась и совершенствовалась методика. В то же время ее многолетнее практическое использование, вполне естественно, привело к накоплению у экспертов, применяющих методику как мелких, так и серьёзных претензий к ней.

В данной статье авторы прослеживают эволюцию методики от 50-х гг. прошлого столетия до наших дней.

В первых отечественных публикациях профессор Г.И. Смелков с соавторами предложили различать «первичное» КЗ (ПКЗ), то есть КЗ, произошедшее до пожара, и возможную причину пожара, и «вторичное» КЗ (ВКЗ) - это КЗ, произошедшее во время

пожара, его следствие [1]. Автором также был введен термин «момент КЗ», объединяющий два указанных понятия.

Учитывая то, что, исследуя проводник с оплавлениями, устанавливали момент КЗ не напрямую, а по косвенным признакам, указывающим на условия (температуру, атмосферу, наличие градиента температур по проводнику, наличие оксидов меди и т.д.), при которых проходил процесс, кроме указанных терминов стали употреблять более корректные (по мнению некоторых авторов) термины «условия до пожара» и «условия пожара».

Со временем наличие признаков ПКЗ часто стали трактовать как однозначное свидетельство причастности КЗ к возникновению пожара. Хотя это не так -с самого начала разработчики методики указывали, что окончательный вывод такого рода можно делать только на основании анализа всей совокупности данных по пожару [1].

Специалисты предупреждали о некорректности ситуации, когда вывод о причине пожара делает эксперт-физик исключительно на основе исследования представленного ему вещественного доказательства - оплавленного провода. Предлагались сложные схемы комплексного исследования по установлению причинно-следственной связи аварийных процессов в электросети с возникновением пожара [2].

Разработчики методики, в свою очередь, также периодически пытались уйти от терминов ПКЗ-ВКЗ или, по крайней мере, их конкретизировать, приближая к непосредственному описанию физических параметров окружающей среды, которые, собственно, и отражаются на структуре металла, а затем выявляются методами рентгеноструктурного анализа (РСА), металлографии и др. В методических рекомендациях ВНИИ МВД СССР 1986 г. [3] указывается, что под ПКЗ следует понимать КЗ, которое происходит в отсутствие воздействия на проводник опасных факторов пожара, при нормальной (комнатной) температуре окружающей среды и нормальном составе атмосферы (21 % кислорода, 79 % азота). Под ВКЗ понимается КЗ, которое происходит «... в процессе развития пожара при повышенной температуре окружающей среды (200 °С и выше), достаточной для начала интенсивного термического разложения изоляции, и в атмосфере, насыщенной газообразными продуктами разложения горючих веществ (СО, СО2 и др.) при пониженном содержании кислорода». В последних публикациях [4, 5] авторы вообще стараются обходить термин «первичное» и «вторичное» КЗ, употребляя понятия «КЗ, предшествующее пожару» «КЗ, возникшее в процессе пожара», или «КЗ до пожара» и «КЗ во время пожара».

Последние два термина, наряду с «историческими» ПКЗ и ВКЗ, используются и в более поздних публикациях на данную тему.

Физические принципы, заложенные в основу методики, весьма любопытны. Они заключаются в выявлении различными инструментальными методами структуры, состава и свойств оплавленного электрического провода, прямо или косвенно указывающих на условия, при которых он образовался.

Первые публикации, указывающие на возможность решения задачи установления момента КЗ, появились в 50-х гг. прошлого века. Шонтаг А. (Герм.) предложил различать «первичное» и «вторичное» КЗ по содержанию в структуре проводника, оплавленного током КЗ, оксидов меди - оксида меди (II) и оксида меди (I) (по старой номенклатуре химических соединений - окиси и закиси меди). Идея базировалась на способности меди активно взаимодействовать при нагревании с кислородом воздуха. До пожара в чистой, незадымленной атмосфере (ПКЗ) в результате такого взаимодействия окисление идет активно с образованием большого количества оксидов, преимущественно СиО [6].

При ВКЗ, возникающих в ходе развития пожара, задымленная воздушная среда помещения бедна кислородом, процесс окисления происходит менее интенсивно, оксидов образуется меньше.

Исследования в данном направлении проводились также Хагемайером (ГДР). Для обнаружения оксидов меди в оплавлениях авторы использовали металлографию [7, 8]. При этом количественных критериев дифференциации авторы не предлагали.

Профессор Г.И. Смелков в своей книге [1] отмечает, что в 1969 г. во ВНИИПО с его участием проводились исследования по оценке возможности применения металлографического метода для дифференциации «первичного» и «вторичного» КЗ. Результат оказался отрицательный. Медь «...настолько активно взаимодействовала с кислородом даже в сильно задымленной атмосфере, что чувствительности металлографического метода не хватало для дифференциации момента возникновения КЗ. И, самое главное, полная неопределенность, связанная с выбором места на шлифе, которое подлежит исследованию: на одном и том же шлифе объектив микроскопа может найти сколько угодно мест, которые на 100 % подтверждают первичность КЗ, а чуть передвинув шлиф, с неменьшей точностью можно найти все признаки вторичного КЗ» [9].

Неудача с использованием металлографического метода подвигла отечественных разработчиков к использованию для исследования оплавленных дугой КЗ медных проводов рентгеноструктурного анализа [1].

Первая отечественная методика [1] была разработана во ВНИИПО в 1970-1974 гг. и предназначена для определения причастности к возникновению пожара КЗ в открыто проложенных проводках с медными жилами независимо от их сечения и числа проволок в жиле, подвергавшихся при пожаре воздействию температуры не более 900 °С. Методика не распространялась на кабели и электропроводки, проложенные в трубах. Основным критерием «первичности-вторичности» КЗ методом РСА было различие в структуре и степени окисления отдельных участков проводов. Для съемки от изъятого провода вырезали два образца - первый (образец 1), длиной 10 мм с места оплавления и второй (образец 2) длиной 15 мм на удалении 50-100 мм от первого. Съемку рекомендовалось проводить, используя любые рентгеновские установки с фотографической регистрацией в камерах Дебая-Шеррера. Применялся асимметричный метод съемки без вращения образца для оценки зернистости и с вращением для оценки интенсивности. Интенсивность линий на рентгенограммах оценивалась визуально по десятибалльной шкале либо с помощью микрофотометра [1]. В качестве признаков ПКЗ рассматривались:

- меньшие размеры дифракционных пятен, составляющих линии меди, на рентгенограммах образца 1 по сравнению с образцом 2;

- более высокая интенсивность линий оксида меди (I) образца 1 по сравнению с образцом 2;

- более высокая интенсивность линий оксида меди (II) образца 1 по сравнению с образцом 2.

Обратные соотношения предлагалось трактовать как признаки ВКЗ.

Признаком, свидетельствующим об оплавлении провода под действием температуры пожара, рассматривалась идентичность рентгенограмм образцов 1 и 2.

Уже тогда было замечено и отмечалось в тексте методики непрочность слоя СuO и возможность его потери при отборе и транспортировке образца.

Развитие рентгеновской техники позволило в дальнейшем перейти от длительных, трудоемких исследований фотометодом к использованию рентгеновских дифрактометров. Кроме всего прочего, это позволило проводить более точный количественный анализ. Дифрактометрия как метод анализа была задействована в новой методике, разработанной во ВНИИ МВД СССР в 1986 г. В ней для исследования применялся комплекс аналитических методов, включая электронную микроскопию и металлографию [3].

Дифрактометрический метод также был основан на сравнительном исследовании двух участков провода - непосредственно примыкающего к оплавлению и удаленного на расстояние 30 мм от места оплавления. На том и на другом определялась интегральная интенсивность линии оксида меди (I) относительно линии металлической меди. Оксид меди (II) предварительно удалялся с провода протиранием этиловым спиртом. Возможность дифференциации ПКЗ-ВКЗ, то есть физическая суть методики, заключалась в следующем. При ПКЗ провод еще относительно холодный, греется только в зоне, непосредственно

примыкающей к зоне действия электрической дуги, где и происходит активное окисление. Поэтому относительная интенсивность линии Си2О здесь оказывается выше, чем на удаленном «участке сравнения». При ВКЗ такой картины не наблюдается - КЗ возникает уже на прогретом теплом пожара проводе. Чтобы исключить возможные погрешности, авторы методики заложили требование двухкратного различия концентрации оксида меди (I) на двух анализируемых участках (табл.). При ПКЗ интегральная интенсивность оксида меди рядом с оплавлением должна быть выше в два и более раза, чем на указанном удалении от него; при ВКЗ - соотношение обратное. Промежуточные значения считаются неинформативными, и для решения задачи рекомендуется применять металлографический метод анализа [3].

Металлографический метод в своей основе опирался на феномен наличия или отсутствия градиента температур в проводе при его охлаждении после действия электрической дуги КЗ. В случае ПКЗ при остывании расплавленного электрической дугой металла происходит интенсивный направленный теплоотвод по металлу медной жилы. За счет этого формируется структура быстрой кристаллизации - столбчатые дендриты (при содержании кислорода в оплавлении не более 0,39 %). При ВКЗ в месте оплавления направленного теплоотвода не наблюдается и формируется равноосная литая структура. Существуют различия в наличии или отсутствии по границам зерен эвтектики Си - ^^ и массовой доли кислорода в меди - при ПКЗ она в пределах от 0,06 до 0,39 %, при ВКЗ не превышает 0,06 % [4, 5].

При морфологическом исследовании поверхности оплавленных участков методом электронной микроскопии ведется поиск специфических структур в виде искривлённых и закруглённых кристаллов, которые образуются, соответственно, при ПКЗ и ВКЗ [4].

Со временем прояснилась и причина отрицательной оценки аналитических возможностей металлографии как метода экспертного исследования. Дело оказалось не в методе анализа, а в способе моделирования КЗ, применяемом немецкими специалистами. Смелков Г.И. пишет, что установка, которую использовал В. Хагемайер, представляла собой небольшой стеклянный сосуд, в котором располагались тонкие диаметром около 1 мм проводники. В сосуде по мере необходимости создавалась либо чистая, либо задымленная среда. Пережигание проводников осуществлялось небольшим током, поэтому длительность КЗ составляла несколько секунд. За столь большое время все процессы окисления успевали пройти и оксидные фазы равномерно откладывались по всему небольшому сечению пережигаемых токами КЗ проводников. Поэтому на шлифах была видна единая картина ВКЗ или ПКЗ. В реальности (в том числе на экспериментальной установке ВНИИПО) длительность КЗ составляла десятые и сотые доли секунды, в течение которых оксидная фаза не могла сформироваться в необходимых количествах.

В настоящее время современное оборудование и технологии металлографического исследования позволяют в ряде случаев исследовать и следы таких краткосрочных процессов. Тем не менее длительность электродугового процесса остается фактором, существенно влияющим на возможности и результат металлографического исследования.

Рассмотренные выше варианты методики имели серьезную теоретическую основу и активно применялись на практике. Однако обратной стороной многолетнего практического использования явилось накопление проблемных вопросов, с ними связанных. На практике в ряде случаев известные признаки ПКЗ обнаруживались сразу у нескольких проводов. В том числе вне установленного очага пожара. Имели место ситуации, когда результаты, полученные различными методами, противоречили друг другу, а также фактическим данным по пожару. Указанные проблемы вполне естественны. Процессы, протекающие на реальных пожарах, сложны, часто многостадийны и трудно моделируемы. Соответственно, существующие методики не универсальны и требуют развития и совершенствования. Очень важно, как показывает приведенный выше пример с немецкой методикой, максимально возможное приближение лабораторных экспериментов по моделированию КЗ к реально существующим аварийным процессам. По сути, это условие было выдержано только

на стадии разработки методики во ВНИИПО (установочные провода сечением 2,5 и 4 мм , напряжение 220 В переменного тока), а также на экспериментальной установке ИЦЭП. В первом случае, однако, не было аналитического оборудования с современными возможностями.

Методика, сформированная по результатам исследований, проведенных на установке, разработанной в ИЦЭП, включает в себя морфологические исследования (визуально и с помощью метода сканирующей электронной микроскопии), рентгенофазовый анализ и металлографические исследования [10].

Предварительным этапом дифференциации ПКЗ-ВКЗ является установление по полученным данным электродуговой природы оплавления. Это существенно, поскольку, как показали исследования [11], похожие морфологические признаки могут формироваться, в частности, при перегрузке.

В случае электродуговой природы для дифференциации используются данные рентгенофазового анализа - критерии дифференциации те же, что и в методике [5] (табл.).

Существенное различие с методикой [5] существует в трактовке металлографических данных. Проведенные исследования [12] показали, что содержание кислорода не может выступать в качестве надежного критерия определения ПКЗ-ВКЗ, поскольку на этот параметр оказывает влияние не только газовый состав окружающей атмосферы, но и, в частности, длительность электродугового процесса. Само по себе наличие дендритных структур также не коррелирует, судя по проведенным экспериментам, с условиями, характерными для ПКЗ.

Металлографический метод исследования электродуговых оплавлений, предлагаемый ИЦЭП, базируется на различии в скорости кристаллизации металла при ПКЗ и ВКЗ. В качестве квалификационного признака ПКЗ предлагается рассматривать не просто наличие кристаллов дендритной формы, а присутствие в зоне оплавления мелких, вытянутых столбчатых или дендритных зерен меди со средним поперечным размером до 10 мкм. При этом обратная ситуация - поперечный размер зерен больше 10 мкм - не свидетельствует в пользу ВКЗ. Признаком ВКЗ является наличие равноосных зерен меди при обязательном наличии прямой границы между проводником и оплавлением (табл.).

Из приведенного выше видно, что одна из ключевых инструментальных экспертных методик, используемых в пожарно-технической экспертизе, развивается, усложняется и это объективная реальность - следствие более глубокого постижения физической сути протекающих при пожаре процессов и их последствий. Трактовка полученных данных - это наиболее сложная часть экспертного исследования, требующая профессиональной подготовки эксперта и его умения творчески мыслить.

Отметим также, что, несмотря на явно увеличивающиеся возможности аналитических приборов и оборудования в получении криминалистически значимой информации, справедливым остается требование первых разработчиков методики: «Заключение о причастности (непричастности) к пожару КЗ может быть составлено в процессе выполнения общей электротехнической экспертизы и на основании результатов экспертизы вещественных доказательств по данной методике с обязательным учетом материалов уголовного дела по расследованию причин возникновения пожара.

В случае предоставления для экспертизы только одних вещественных доказательств без материалов уголовного дела по расследованию причин возникновения пожара экспертом может быть дано лишь вероятностное заключение о первичности (вторичности) КЗ» [1].

Таблица. Дифференцирующие признаки ПКЗ-ВКЗ в различных методиках судебной пожарно-технической экспертизы

Метод анализа Объект Дифференцирующий признак ПКЗ-ВКЗ ВНИИПО ЭКЦ ИЦЭП

Визуальный Изоляция Обугливание изнутри + + +

Оплавленный участок Вытянут вдоль оси проводника и локализован + + —

Поверхность оплавления Гладкая, без газовых пор и вырывов / могут быть поры и вырывы наплывы меди вдоль проводника по длине + —

СЭМ Поверхность оплавления (1 000-1 500х) Морфология поверхности: вид сетки с искривленными кристаллами при толщине окисной пленки 5-20 мкм/прямые и закругленные кристаллы — + +

РСА Проводник с оплавлением Фотометод: количественное соотношение оксидов меди + + —

Дифрактометрия: количественное соотношение оксидов меди — + +

Металлография Оплавление (100-500х) Форма зерна меди: дендритная или равноосная — + —

Содержание кислорода в меди: 0,06 % или более 0,06 % — + —

Пористость — + —

Мелкие вытянутые столбчатые или дендритные зерна меди при среднем поперечном размере зерен до 10 мкм — — +

Равноосные зерна меди при наличии прямой границы между проводником и оплавлением — — +

Примечание: «+» - признак используется; «—» - признак не используется

Литература

1. Смелков Г.И., Александров А.А., Пехотиков В.А. Методы определения причастности к пожарам аварийных режимов в электротехнических устройствах. М.: Стройиздат, 1980. 58 с.

2. Маковкин А.В., Кабанов В.Н., Струков В.М. Проведение экспертных исследований по установлению причинно-следственной связи аварийных процессов в электросети с возникновением пожара. М.: ВНКЦ МВД СССР, 1990. 64 с.

3. Митричев Л.С., Колмаков А.И., Степанов Б.В. Исследование медных и алюминиевых проводников в зонах короткого замыкания и термического воздействия: метод. рекомендации. М.: ВНИИ МВД СССР, 1986. 43 с.

4. Диагностика причин разрушения металлических проводников, изъятых с места пожара / А.И. Колмаков [и др.]. М.: ВНКЦ МВД СССР, 1991.

5. Экспертное исследование металлических изделий (по делам о пожарах): учеб. пособие / под ред. А.И. Колмакова. М.: ЭКЦ МВД России, 1993. 104 с.

6. Schontag A. Archiv fur Kriminologie, 115 Bd., Munchen, 1956. S. 66.

7. Hagemuer W. Die metallographische Untersuching von Kupferleitern als Method zur Untercheidung zwischen primaren und sekundaren Kurzschlussen // Schriftenreihe der Deutsch Volkspolizei. 1963. № 7-12. S. 1 160-1 170.

8. Ettling B.V. Electrical wiring in Builing Fires // Fire Technology. 1978. 14. № 4. P. 317-325.

9. Смелков Г.И. Пожарная безопасность электропроводок. М.: ООО «КАБЕЛЬ», 2009.

328 с.

10. Экспертное исследование после пожара медных проводников: метод. пособие / А.Ю. Мокряк [и др.]. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2016. 145 с.

11. Мокряк А.Ю., Чешко И.Д., Пеньков В.В. Морфологический анализ медных проводников, подвергшихся воздействию токовой перегрузки, при экспертизе пожаров // Проблемы управления рисками в техносфере. 2014. № 4 (32). С. 41-49.

12. Мокряк А.Ю., Чешко И.Д. Металлографический анализ медных проводников, подвергшихся воздействию токовой перегрузки, при экспертизе пожаров // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2014. № 4. С. 51-58.

References

1. Smelkov G.I., Aleksandrov A.A., Pekhotikov V.A. Metody opredeleniya prichastnosti k pozharam avarijnyh rezhimov v ehlektrotekhnicheskih ustrojstvah. M.: Strojizdat, 1980. 58 s.

2. Makovkin A.V., Kabanov V.N., Strukov V.M. Provedenie ehkspertnyh issledovanij po ustanovleniyu prichinno-sledstvennoj svyazi avarijnyh processov v ehlektroseti s vozniknoveniem pozhara. M.: VNKC MVD SSSR, 1990. 64 s.

3. Mitrichev L.S., Kolmakov A.I., Stepanov B.V. Issledovanie mednyh i alyuminievyh provodnikov v zonah korotkogo zamykaniya i termicheskogo vozdejstviya: metod. rekomendacii. M.: VNII MVD SSSR, 1986. 43 s.

4. Diagnostika prichin razrusheniya metallicheskih provodnikov, iz"yatyh s mesta pozhara / A I. Kolmakov [i dr.]. M.: VNKC MVD SSSR, 1991.

5. EHkspertnoe issledovanie metallicheskih izdelij (po delam o pozharah): ucheb. posobie / pod red. A.I. Kolmakova. M.: EHKC MVD Rossii, 1993. 104 s.

6. Schontag A. Archiv fur Kriminologie, 115 Bd., Munchen, 1956. S. 66.

7. Hagemuer W. Die metallographische Untersuching von Kupferleitern als Method zur Untercheidung zwischen primaren und sekundaren Kurzschlussen // Schriftenreihe der Deutsch Volkspolizei. 1963. № 7-12. S. 1 160-1 170.

8. Ettling B.V. Electrical wiring in Builing Fires // Fire Technology. 1978. 14. № 4. P. 317-325.

9. Smelkov G.I. Pozharnaya bezopasnost' ehlektroprovodok. M.: OOO «KABEL'», 2009.

328 s.

10. Ehkspertnoe issledovanie posle pozhara mednyh provodnikov: metod. posobie / A.Yu. Mokryak [i dr.]. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2016. 145 s.

11. Mokryak A.Yu., Cheshko I.D., Pen'kov V.V. Morfologicheskij analiz mednyh provodnikov, podvergshihsya vozdejstviyu tokovoj peregruzki, pri ehkspertize pozharov // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2014. № 4 (32). S. 41-49.

12. Mokryak A.Yu., Cheshko I.D. Metallograficheskij analiz mednyh provodnikov, podvergshihsya vozdejstviyu tokovoj peregruzki, pri ehkspertize pozharov // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2014. № 4. S. 51-58.