電接觸發熱是電氣火災重要成因之一,在火災事故調查工作中比較多見。電接觸痕跡的形成原因多種多樣,只有深入查清其痕跡形成原因,才能做出科學的、有實際意義的論斷。
能夠引發火災的電接觸焦耳熱,是由于電流的熱效應引起的,它按i2r的規律放熱。焦耳熱的公式說明,發熱主要由兩個因素組成,即電流和電阻,均屬電氣物理量。在現場勘查中發現電接觸熔痕后,應進一步查找熔痕形成的原因和客觀上具備的條件,只有在痕跡現象與痕跡形成原因基本上沒有矛盾,且符合客觀條件的情況下,才可做出結論。例如在一起火場勘查中,發現插頭上的兩個插片熔掉一半,整個插座和木槽板及導線被燒,附近兩臺儀表也被燒毀,從痕跡上可以斷定為插頭接觸不良,接觸電阻過大、過熱引起火災。但在查找中發現該電源線與調壓器連接,且調壓器里邊的扼流圈被燒毀。同時查明是因為有一個電子管故障導致扼流圈過熱短路,短路的非正常電流激發了本來已處于嚴重惡化狀態的插銷過熱起火。此案例中插頭與插座接觸發熱熔化引起火災是由電流、電阻兩個因素之一或兩個因素同時決定的。而在實際勘查過程中,對于這種痕跡物證,往往歸結為插頭、插座接觸不良或接觸電阻過大、過熱引起的,而忽略了電流作用的因素。而此案例中插頭的熔化痕跡正是短路的大電流作用的結果。所以對于現場中發現的痕跡物證不能輕易地下結論,必須進行全面、細致的勘查,查清其形成原因,才能得出客觀、正確的結論。
下面對影響接觸電阻發熱的因素進行分析:
1接觸電阻
接觸電阻rj由兩部分組成,即收縮電阻rs和表面膜電阻rb。收縮電阻是電流在流經電接觸區域時,從原來截面較大的導體突然轉入截面很小的接觸點,電流發生劇烈收縮現象,此現象所呈現的附加電阻稱為收縮電阻。表面膜電阻為在電接觸的接觸面上,由于污染而覆蓋著一層導電性很差的物質,這就是接觸電阻的另一部分——膜電阻。很多現場勘查人員對插片、插座燒毀的痕跡習慣歸結為接觸不良、接觸電阻過大所致,其實導致接觸電阻增大有很多原因。
1.1接觸形式
接觸電阻的形式可分為三類:點接觸、線接觸和面接觸。接觸形式對收縮電阻rs的影響主要表現在接觸點的數目上。一般情況下,面接觸的接觸點數n最大而rs最小;點接觸則n最小,rs最大;線接觸則介于兩者之間。接觸形式對膜電阻rb的影響主要是看每一個接觸點所承受的壓力f。一般情況下,在對觸頭外加壓力f相同的情況下,點接觸形式n最小,單位面積承受壓力f1最大,容易破壞表面膜,所以有可能使rb減到最小;反之,面接觸的f1就最小,對rb的破壞力最小,rb值有可能最大。在實際情況中,需要綜合以上兩個因素,對接觸電阻的大小進行具體的分析判斷。
1.2接觸壓力
接觸壓力f對收縮電阻rs值和表面膜電阻rb值的影響最大,f的增加使接觸點的有效接觸面積增大,即接觸點數n增加,從而使rs減小。當加大f超過一定值時,可使觸頭表面的氣體分子層吸附膜減少到2~3個;當超過材料的屈服壓強時,產生塑性變形,表面膜被壓碎出現裂縫,從而增加了接觸面積,這就使收縮電阻rs因表面膜電阻rb的減小而下降,rs和rb同時減小,從而使接觸電阻大大下降。相反,當接觸不到位、接觸觸頭失去了彈性變形等原因使接觸壓力f下降時,接觸面積減小,收縮電阻rs增大,表面膜電阻rb受f的破壞作用減弱或不受其影響,從而使表面膜電阻rb增大。同時因rb增大,使接觸面積減小,從而使rj增大,二者的綜合作用使接觸電阻整體上升。
1.3接觸表面的光潔度
接觸表面的光潔度對接觸電阻有一定的影響,這主要表現在接觸點數n的不同。接觸表面可以是粗加工、精加工,甚至是采用機械或電化學拋光。不同的加工形式直接影響接觸點數n的多少,并最終影響接觸電阻的大小。
1.4接觸電阻在長期工作中的穩定性
電阻接觸在長期工作中要受到腐蝕作用:
(1)化學腐蝕。電接觸的長期允許溫度一般都很低,雖然接觸面的金屬不與周圍介質接觸,但周圍介質中的氧會從接觸點周圍逐漸侵入,并與金屬起化學作用,形成金屬氧化物,從而使實際接觸面積減小,使rj增加,接觸點溫度上升。溫度越高,氧分子的活動力越強,可以更深地侵入到金屬內部,這種腐蝕作用變得更為嚴重;
(2)電化學腐蝕。不同的金屬構成電接觸時,能夠發生這種腐蝕。它使負極金屬溶解到電解液中,造成負電極金屬的腐蝕。
1.5溫度
當接觸點溫度升高時,金屬的電阻率就會有所增大,但材料的硬度有所降低,從而使接觸點的有效面積增大。前者使rs增大,后者使rs減小,結果是兩者互為補償,故接觸電阻變化甚微。但是,發熱使接觸面上生成氧化層薄膜,增加了接觸電阻,這種接觸電阻可成百成千倍地增大。其氧化速度與觸頭表面溫度有關,當發熱溫度超過某一臨界溫度時,這個過程就會加速進行,這就限制了接觸面的極限允許溫度。否則,則將使接觸電阻劇增,會引起惡性循環。另外,當發熱溫度超過一定值時,彈簧接觸部分的彈性元件會被退火,使壓力降低,也會使接觸電阻增加,惡性循環加劇,最后會導致連接狀態遭到破壞。
1.6材料性質
構成電接觸的金屬材料的性質,直接影響接觸電阻rj的大小,比如:電阻率ρ、材料的布氏硬度hb、材料的化學性質、材料的金屬化合物的機械強度等。以我國普遍使用的銅為例,銅有良好的導電和導熱性能,其強度和硬度都比較高,熔點也較高,易于加工。因此銅線接頭在接觸良好的情況下,溫度低于無接頭部位的溫度;但在高溫下,其在大氣或變壓器油中也能氧化,生成cu2o,其導電性很差,氧化膜厚度隨著時間和溫度的增加而不斷地增加,接觸電阻也成倍地增加,有時甚至使用閉合電路出現斷路現象。因此銅不適合于做非頻繁操作電器的觸頭材料,對于頻繁操作的接觸器,電流大于150a時,氧化膜在開閉時產生電弧的高溫作用下分解,可采用銅觸頭。從整體減小接觸電阻rj的角度看,可在銅上鍍銀、鑲銀或錫,后兩者的優點是ρ及hb值小,氧化膜機械強度很低,因此銅件上采取此措施可減小rj。
2 影響電流增大的因素
2.1短路