Металлографический анализ медных проводников, подвергшихся воздействию токовой перегрузки при экспертизе пожаров

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕДНЫХ ПРОВОДНИКОВ, ПОДВЕРГШИХСЯ ВОЗДЕЙСТВИЮ ТОКОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ ПРИ ЭКСПЕРТИЗЕ ПОЖАРОВ

А.Ю. Мокряк;

И.Д. Чешко, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Рассмотрено влияние процесса токовой перегрузки различной кратности на повреждения медного проводника в условиях электросети переменного тока напряжением 220 В. Проведен металлографический анализ оплавленных участков медных жил, образующихся в результате протекания по проводнику сверхтока. Выявлены и описаны признаки, формирующиеся в медном проводнике при токовой перегрузке.

Ключевые слова: судебная пожарно-техническая экспертиза, токовая перегрузка, сверхток, металлографический анализ, оплавления, медь, электропроводка

METALLOGRAPHIC ANALYSIS OF THE COPPER CONDUCTORS EXPOSED TO OVERCURRENT, IN THE EXAMINATION OF FIRES

A.Yu. Mokriak; I D. Cheshko.

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

The influence of process overcurrent different multiplicity damage the copper conductor under an AC voltage of 220 V. An analysis of metallographic sections of melted copper wires, resulting from over-current flow through the conductor. Identified and described the features formed in the copper conductor with current overload.

Keywords: forensic fire expert, overcurrent, overcurrent, metallographic analysis, melting, copper, wiring

Расследование преступлений, связанных с пожарами, представляет значительную трудность в силу специфики самого явления пожара, несущего опасность уничтожения следовой информации об обстоятельствах его возникновения и развития. Версия о причастности к возникновению горения аварийных режимов в электрооборудовании отрабатывается при исследовании подавляющего большинства пожаров. В том числе пожаров, возникших по причине поджога, замаскированного под «электротехническую» причину возгорания.

Анализ «электротехнической» версии о причине возгорания обычно связан с исследованием электрооборудования и электрической проводки. В настоящее время известны и применяются на практике специальные инструментальные методики исследования после пожара различных электротехнических объектов, в частности оплавлений медных проводников [1-4].

Ранее в статье [5] были приведены результаты морфологического анализа оплавлений медных проводников, возникающих при токовой перегрузке различной кратности. Там же изложены проблематика и состояние вопроса, а также описание объектов и условий проведения экспериментальных исследований.

В данной статье излагаются результаты металлографического анализа оплавлений медных проводников, возникающих при воздействии токовой перегрузки различной кратности в ходе моделирования данного аварийного пожароопасного режима.

Для проведения исследования специальным образом подготавливали микрошлифы оплавлений медных жил. От жил отрезали участок длиной 4-5 мм вместе с оплавлением и запрессовывали в форму. Запрессовку образцов в фенольную смолу «Phenocure (Bakelit)» осуществляли с помощью пресса «Simplimet 1000» (фирма «Buehler»). Режимы работы пресса: давление 270 bar, температура 150 0С, время нагрева 1 мин 50 сек. Полученные образцы шлифовали и полировали на металлографическом станке «Phoenix Beta» (фирма «Buehler»). Для выявления границ зёрен меди применяли химическое травление в 40 % солянокислом растворе хлорного железа. Изучение микрошлифов проводили на металлографическом микроскопе МЕТАМ ЛВ-31 с использованием компьютерной программы для анализа изображения «Thixomet Pro» при увеличениях 50, 100, 200х. Определение количества кислорода в меди проводили с использованием эталонов микроструктур [4, 5].

В результате проведенного анализа оплавлений медных проводников, подвергшихся воздействию токовой перегрузки, методом металлографии были выявлены признаки, характерные для данного электрического аварийного режима.

Поверхностное оплавление - оплавление проводника по его поверхности и вытянутое вдоль его оси (рис. 1). Подобные оплавления, как правило, были протяженны. Их наблюдение при металлографическом исследовании зависело, в том числе, от того, какая площадь оплавленной зоны попала в поле зрения при пробоподготовке образца. Зона поверхностного оплавления проводника при всех кратностях перегрузки была насыщена оксидом меди (I).

Рис. 1. Межпроволочное и поверхностное оплавление многопроволочного проводника при токовой перегрузке кратностью более 3^4

Межпроволочное оплавление - это совместное расплавление (сплавление) контактирующих проволок многопроволочного проводника при протекании по нему сверхтока.

При перегрузке кратностью более 3^4 в многопроволочном проводнике наблюдалось расплавление отдельных участков проволок (рис. 1). Участки расплавления при этом резко отличались по структуре от нерасплавленных проволок, по причине окисления меди и, как следствие, образования доэвтектической (Си+э(Си+Си20)), эвтектической (э(Си+Си20)) или, реже, заэвтектической структуры (Си20+э(Си+Си20)). Микроструктура нерасплавленных проволок, как правило, состояла из крупных зерен меди с двойниками отжига внутри, образовавшихся в результате нагрева при протекании тока перегрузки по проводнику.

Пористость. Протекание по медному проводнику сверхтока, превышающего номинальное значение в 3^4 и более раз, вызывало в нем образование пор различного размера. Так, в центральной части оплавления наблюдались поры крупного размера

(макропоры), а также мелкие поры (микропоры) (рис. 2 а). Подобного рода макро-и микропоры также образовывались внутри вздутий (рис. 2 б).

Рис. 2. Поры, образовавшиеся в различных зонах медного проводника, при токовой перегрузке кратностью более 3^4: а) макропора и микропоры в оплавлении на конце медного проводника; б) макропора, расположенная во вздутии на поверхности медного проводника

Оплавление границ зерен. Протекание тока перегрузки в медном проводнике вызывало оплавление межзеренных границ, концентрирующихся в приповерхностном слое провода (рис. 3 а, б). В результате оплавления границ зерен появляются несплошности в материале проводника, которые, в отличие от пор, обладающих сферической или овальной формой без острых углов, имеют произвольную форму с острыми углами. Оплавление межзеренных границ может вызвать также фрагментацию медного проводника, то есть разделение его на части (рис. 4).

а)

100 200 300 400 500 600 700 ООО 900

Рис. 3. Оплавление границ зерен в приповерхностном слое нерасплавленной части медного проводника при токовой перегрузке кратностью более 3^4: а) приповерхностный слой, в котором наблюдаются оплавления границ зерен (темные участки,

отмеченные пунктиром), панорамный снимок; б) крупный план оплавлений границ зерен

Рис. 4. Оплавление границ зерен, вызвавшее фрагментацию медного проводника при токовой перегрузке кратностью более 3^4, проводник не разделился до конца

Содержание кислорода и форма зерна в оплавленных зонах

Содержание кислорода в оплавлении медного проводника, образовавшегося в результате токовой перегрузки, зависит от времени, в течение которого медь находится в расплавленном состоянии. На это, в свою очередь, оказывает влияние кратность тока перегрузки - чем она была выше, тем быстрее происходит разделении (разрыв) проводника на части и, соответственно, меньше времени медь находится в жидком состоянии. На графике, приведенном на рис. 5 а, показана зависимость времени от начала воздействия сверхтока на проводник до момента его разрыва от кратности тока перегрузки. График, приведенный на рис. 5 б, отражает зависимость концентрации кислорода в зоне оплавления от кратности тока перегрузки. Из сравнения данных графиков видно, что «пороговой» кратность перегрузки, при достижении которой резко снижается концентрация кислорода, является кратность, равная 8-10 (рис. 5 б). На рис. 5 а - это соответствует времени протекания аварийного процесса в пределах 5-15 сек. Очевидно, при меньшем времени протекания аварийного режима реакция разогретой (расплавленной) меди с кислородом пройти не успевает.

а)

б)

Рис. 5. Графики, отражающие изменение различных параметров в зависимости от кратности тока перегрузки: а) зависимость времени от начала воздействия сверхтока на проводник до момента его разрыва от кратности тока перегрузки; б) зависимость концентрации кислорода в оплавлении от кратности тока перегрузки

При перегрузках менее 8^9 крат содержание кислорода в зоне оплавления, а также на других оплавленных участках медного проводника (межпроволочные и поверхностные оплавления, вздутия и т.д.), варьировалось от 0,10 до 0,39 % и более (рис. 6 а). При кратностях перегрузки более 8^9 концентрация кислорода в большей части объема оплавления оставалась на исходном уровне - 0,05 % (рис. 6 б, в, г, д, е).

Зерна в оплавленных зонах при токовой перегрузке кратностью более 3^4 имели различную форму и ориентировку и могли быть дендритными, вытянутыми (столбчатыми) или равноосными.

а) к=5-8; 02-0,20 %

б) к=9; 0,-0,05 %  -. " " " •'<<•

1 .4

а-Л ;  * ' -

' V у-у^  Л . -/'-Ч-

в) к=12; 02-0,05 %

I  , /

Л у

TV.fi

V / . '• • -

лЖ'.

г) к=14; 02-0,05 %

д) к=17; 02-0,05 %

е) к=20; 02-0,05 %

Рис. 6. Микроструктуры оплавлений медных проводников, образовавшихся при различных кратностях перегрузки (к), и содержание кислорода в них

Следует особо отметить, что содержание кислорода и форма зерна могут значительно отличаться в пределах оплавления. Например, на рис. 7 а, б показано оплавление, основной объем которого состоит из равноосных зерен при концентрации кислорода 0,05 %. Однако в оплавлении имеется приповерхностный слой толщиной порядка 0,1 мм, структура которого состоит из дендритных зерен при содержании кислорода 0,2 %. Толщина этого слоя, по видимому, зависит от многих факторов (кратность сверхтока, газообразный состав окружающей среды и т.д.) и может значительно варьироваться.

а) б)

Рис. 7. Участок оплавления, возникшего в результате токовой перегрузки кратностью более 3^4 (приповерхностный слой состоит из зерен дендритной формы при содержании кислорода порядка 0,2 %; центральный участок состоит из зерен равноосной формы при содержании кислорода порядка 0,05 %): а) общий план оплавления; б) крупный план участка оплавления

Как показали результаты исследования, протекание сверхтока в медном проводнике вызывает в нем образование специфических следов, которые могут быть выявлены методом металлографии. К числу таких следов относятся поверхностное и межпроволочное оплавление, оплавление границ зерен, наличие макропоры в центральной части оплавления. Содержание кислорода в оплавлениях, вызванных токами перегрузки, варьируется в пределах от 0,05 до 0,39 % и выше. С увеличением кратности перегрузки снижается содержание кислорода в оплавлении. Так, при девятикратной перегрузке и более содержание кислорода в оплавлении медной жилы остается на исходном уровне 0,05 %. В пределах оплавления могут наблюдаться зоны с кардинально различающимся содержанием кислорода и формой зерна.

Указанные характерные особенности оплавлений могут использоваться при установлении их природы в ходе экспертных исследований по делам о пожарах.

Литература

1. Смелков Г.И. Пожарная опасность электропроводок при аварийных режимах. М.: Энергоатомиздат, 1984. 184 с.

2. Диагностика причин разрушения металлических проводников, изъятых с мест пожаров: метод. рекомендации / А.И. Колмаков [и др.]. М.: ЭКЦ МВД РФ, 1992. 32 с.

3. Смелков Г.И., Александров А. А., Пехотиков В. А. Методы определения причастности к пожарам аварийных режимов в электротехнических устройствах. М.: Стройиздат, 1980. 59 с.

4. Экспертное исследование металлических изделий (по делам о пожарах): учеб. пособие / Н.М. Граненков [и др.]. М.: ЭКЦ МВД РФ, 1994.

5. 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).