抓住火灾的真凶——过电流

2023–01–17，某地一养猪场发生火灾。火灾造成养猪场猪舍过火，烧毁空气能取暖设备及部分内装修，火灾直接财产损失为12万元。经火灾事故调查人员调查后认定起火原因为导线过电流导致，火灾现场如图1所示。

图1 猪舍火灾烧损情况：（a）电气线路；（b）电气控制柜

关于过电流痕迹物证的分析目前主要采用的是金相分析法。由于过电流铜导线的金相组织与火烧铜导线极为相似，所以在实际火灾事故调查中需要结合现场情况综合分析，往往会出现认定依据不充分的情况。笔者通过实验发现过电流会导致铜导线整体发热，利用金相显微镜对铜导线内部金相组织进行分析，可以发现温度的升高会导致铜导线内部金相组织变成较大的等轴晶，如图2所示。

图2 铜导线金相组织：（a）原始导线；（b）过电流导线

利用扫描电镜和能谱仪对铜导线表面物质成分进行分析，发现温度升高会导致铜导线表面物质成分发生变化，变化情况见表1。

表1 不同过电流时间下铜导线表面铜质量分数变化

金相组织和表面铜质量分数变化都会导致铜导线电阻率发生改变。下面建立针对铜导线电阻率的测量方法，进一步研究铜导线电阻率的具体变化情况。

1. 电阻率测量装置及测量原理

1.1 电阻率测量装置

目前电阻率测量仪器的类型主要有直读式和推导式两种，两种仪器的原理相同；区别在于直读式仪器可以通过规定待测导体长度直接得出其电阻率，推导式仪器则需要通过电阻率定义式将测得电阻换算成电阻率。二者测量精度相同，但直读式仪器的价格要远远高于推导式仪器。因此，本研究选择推导式仪器。

QJ57型直流双臂电桥和TH2515型直流电阻测试仪均可以对金属导线电阻率进行测量，两种仪器测量原理相同，且测量精度均符合要求[1−3]。对比分析，TH2515型直流电阻测试仪具备以下优点：

（1）准确性更好。QJ57型直流双臂电桥采用的是三线制接线方式，TH2515型直流电阻测试仪采用的是四线制接线方式。三线制和四线制都可以在一定程度上消除引线电阻对测量产生的影响，但是三线制要求引线电阻要远远小于桥臂电阻，且桥臂电阻的大小会直接影响到电阻测量的准确性，而四线制对引线电阻没有要求，测量准确性更好[4]。

（2）操作简单，方便携带，适合在火灾现场使用。QJ57型直流双臂电桥操作复杂，随机误差较大，仪器一体化程度较低，不方便携带。而TH2515型直流电阻测试仪操作简单，可重复多次测量，有效减小了随机误差，仪器一体化程度较高，方便携带。

综上所述，选择TH2515型直流电阻测试仪。TH2515型直流电阻测试仪由常州同惠电子股份有限公司制造，便携且易操作，具有较高的测量精度，在“0~20 mΩ”档位的测量精度可达0.01%，符合测量要求。在数据测量方面，提供了3种测量模式，FAST模式（快速测量，每秒读取50次）、MED模式（中速测量，每秒读取6次）、SLOW模式（慢速测量，每秒读取2次），其中SLOW模式的测量精度最高。测得电阻后，通过相关物理公式将其换算成电阻率即可。

1.2 测量原理

TH2515型直流电阻测试仪的基本原理就是根据欧姆定律对待测导线电阻进行测量，其采用的接线方式是四线制。

四线制接线方式也叫开尔文接法[5]。四线制的等效电路如图3所示。图中r1、r2、r3和r4是引线电阻。向待测电阻Rt施加激励电流I，测得电势V3、V4，r3、r4接入高输入阻抗电路，使得I3=0，I4=0，因此V4−V3等于电阻两端电压，电阻值Rt*=（V4−V3）/I。对于每个测试点都有一条激励线和一条检测线，二者严格分开，各自构成独立回路；同时要求检测线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线的电流极小。r1和r2在恒流源回路，不会引入误差。r3和r*4则在高输入阻抗的仪器放大器的回路中，也不会带来误差。

图3 四线制（开尔文接法）等效电路图

四线制接线图如图4所示，r1、r2、r3、r4代表引线电阻，其中r1和r4位于恒流电路，对测量电流不会产生影响；r2和r3位于运算放大器所在电路，由运算放大器虚断特性可知电路中并没有电流，所以r2和r3对测量电压不会产生影响。因此待测电阻Rt两端电压V3=V1、V4=V2，运算放大器的放大倍数为Ad。根据上述分析可得：

图4 四线制（开尔文接法）接线图

由式（1）和式（2）可以看出，引线电阻对待测电阻的测量没有影响。测得电阻后，根据欧姆定律进行相关换算即可得出待测试样电阻率。

TH2515型直流电阻测试仪通过夹具实现四线制接线方式，进而对待测导线电阻进行测量，夹具如图5（a）所示。夹具有4个触头，分别由检测线和激励线引出。各接头功能如图5（b）中SENSE HI和SENSE LO代表检测线的两端，DRIVE HI和DRIVE LO代表激励线的两端。

图5 H2515型直流电阻测试仪夹具：（a）实物图；（b）示意图

2. 过电流铜导线电阻率测量方法的操作步骤

（1）选择火场中疑似过电流导线痕迹，尽量避免选择受火灾严重破坏的导线（在此之前导线未发生过电流故障），应当选择仍保持导线基本形态的痕迹，截取待测导线长度不小于15 cm。

（2）清除导线表面易剥落的残留物，可以用超声波清洗机进行清洗。

（3）选择相同型号未发生破坏的导线作为空白对照。

（4）选择TH2515型直流电阻测试仪的“0~20 mΩ”档位进行测量，实际测量长度为L（L取10 cm），测量前对仪器进行预热（时间设定为30 min）和调零。

（5）选择“SLOW”档位进行数据读取，每秒读取数据2次，每次测量时间为10 s，可得20个测量数据。

（6）求这20个测量数据的平均值，将其作为待测试样的电阻R。

（7）根据导线的具体型号确定导线的横截面积S。

（8）根据导体电阻率的计算公式将电阻R换算成电阻率ρ。电阻率的计算公式如下：

式中：ρ为导体的电阻率，Ω·m；R为导体的电阻，Ω；S为导体的（视为圆柱体）横截面积，m2；L为导体的长度，m。

（9）将测得过电流导线电阻率与空白导线试样电阻率对比，确定导线是否发生过电流故障。

3. 方法可行性

3.1 试样制备

为验证过电流铜导线电阻率测量方法的可行性，选取正泰BV2.5型铜导线作为实验材料，模拟过电流故障发生条件制备过电流导线试样，用过电流铜导线电阻率测量方法测量、计算并分析不同过电流条件导线电阻率变化情况。

（1）考虑BV2.5型铜导线的额定电流为34 A，设置过电流值为2倍额定电流，模拟日常生活中常见的过电流现象。

（2）设置电流值为68 A条件下过电流时间分别为10、20、30和60 min。将未发生过电流故障的原始导线作为空白对照组，每个过电流条件制备6个试样（对应编号1#~6#）。采用控制变量法研究过电流时间对铜导线电阻率的影响。

3.2 试样电阻率测量与分析

对电流值68 A条件下的不同过电流时间铜导线试样电阻率进行测量，结果见表2。

表2 不同过电流时间试样电阻率

由表2可知，当电流值设定为68 A时，与未发生过电流故障的原始铜导线相比过电流铜导线试样电阻率增大，且随着过电流时间的延长，过电流铜导线电阻率增大。电阻率变化幅度在0.52%~3.22%之间。

对表2中电阻率均值数据进行分析，可得如图6所示散点图。

图6 不同过电流时间试样电阻率均值散点图

由散点图可以看出，电流值为68 A时，随着过电流时间的增加，试样电阻率呈增大趋势，过电流时间与试样电阻率之间近似存在一元线性关系。进一步对电阻率均值进行回归分析，可得回归方程：

相关系数R2可达0.999，回归效果很好。回归方程表明在电流值为68 A时，随着过电流时间的延长，过电流铜导线电阻率均匀增大。

4. 结论

本文初步建立了过电流铜导线电阻率测量方法，规定了导线过电流痕迹的提取、处理与测量方法。模拟过电流故障制备了不同过电流条件的铜导线试样，应用过电流铜导线电阻率测量方法对试样进行测量与分析，验证了方法的可行性与科学性。在一起实际火灾案例中应用过电流铜导线电阻率识别方法进行分析，由分析结果可见该方法在实际火灾事故调查中具有较强的指导意义和实用性。

参考文献

[1]张旭俊,李欣,修小云. 直流双臂电桥原理的再分析. 江西电力,2008,32(6):42
[2]王佑明,张志利,龙勇. 直流双臂电桥测量低电阻的误差分析. 电子测量技术,2007(1):154
[3]刘兰胜,王龙凤. 铜铝异种金属焊接研究现状及展望. 金属世界,2023(1):12
[4]周敏,葛兴时. 三线制及四线制热电阻测量方法的探究. 工业计量,2015,25(3):33
[5]赵英伟,庞克俭. Kelvin四线连接电阻测试技术及应用. 半导体技术,2005(11):43

作者简介

鲁旭（1994—），男，安徽寿县人，汉族，初级专业技术职务，硕士研究生，主要研究方向为消防监督、火灾调查、金属导线金相组织。通信地址：安徽省淮南市寿县寿春镇紫金路寿县消防大队