CN105987929A - 一种一次二次短路试验箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一次二次短路试验箱，包括真空系统、加热系统、降温系统、制动系统、气氛热烟加湿系统、测试系统、电源系统以及控制系统，所述的加热系统包括试验箱本体，在所述的试验箱本体内设有测试箱，所述的测试箱包括工作腔体、围绕工作腔体起冷却作用的方通层、在方通层外侧设有的陶瓷保温层以及在陶瓷保温层内侧设有的加热棒；所述的测试箱与试验箱本体之间形成真空层；所述真空系统包括试验箱本体底部的真空泵、压缩机以及蒸发器与真空层以及工作腔体连通。基于模拟火灾现场氛围的模拟装置，从熔痕形成机理角度深入分析多种因素耦合作用下，短路熔痕组织的多态性,建立更加可靠的熔痕类型识别判据，提高电气火灾物证鉴定的准确度。

Description

一种一次二次短路试验箱

技术领域

本发明涉及火灾现场物证鉴定研究技术，尤其是涉及一种一次二次短路试验箱。

背景技术

随着社会和经济的发展，火灾日益复杂化，火灾物证鉴定己成为火灾调查中一种重要的技术手段和方法，对查明火灾原因发挥着越来越重要的作用。火灾调查研究是火灾科学的重要分支，火灾调查中经过分析鉴定，具有证明作用的物证是认定火灾原因、火灾性质和处理火灾责任者的依据和司法诉讼的证据。火灾物证鉴定是火灾原因调查工作的“重要基础”，其为事故起火原因提供最为直接的证据，贯穿着火灾事故调查、分析的全过程，是火灾科学基础研究最为耀眼的“明珠”之一。

电气火灾是指由于电气线路、用电设备、器具以及供配电设备出现故障性释放的热能；如高温、电弧、电火花以及非故障性释放的能量；如电热器具的炽热表面，在具备燃烧条件下引燃本体或其他可燃物而造成的火灾。根据火灾统计数据表明，电气火灾是火灾统计的主要类别，占40%以上，其中，短路是引发重大电气火灾最严重的故障形式。电气火灾物证鉴定是针对火灾现场提取的导线、电气连接件、电热器具、用电设备上的金属痕迹物证进行定性分析，判断痕迹形成的时刻是火灾发生前还是火灾发生后及痕迹形成时是否有电作用的参与。

电气火灾常见的短路故障形成的熔痕分为一次短路熔痕（PSM, primary short circuited melted mark）和二次短路熔痕（SSM, second short circuited melted mark），PSM是指火灾之前由于电气短路形成的熔痕，SSM则指在火灾环境中，由于火烧破坏绝缘层而发生短路形成的熔痕，如何鉴别和判定短路熔痕的性质对分析火灾的原因和火灾事故认定至关重要，尤其是一二次短路的区别。

以美国国家标准与技术研究院（NIST）发行NFPA 921最具特色，NFPA921定性讨论了导线在不同条件下，如过流、过载、火烧、接触不良、电弧等作用下形成的金属导线熔化形成的熔痕，但并未讨论熔痕形成机理以及熔痕判别标准。

日本学者最早通过测定熔痕中碳化残留物结构、晶体中树枝状结晶臂间隔和氧化物浓度来区分PSM和SSM。美国采用的金相检验分析技术，基于微观结构，鉴别导线的火烧熔痕和短路熔痕。

目前应用最广泛的是金相分析法。现有的短路熔痕分析法主要有外观分析、内部组织分析、二次离子质谱法断面元素深度分析、枝晶间隙分析法等。

近年来应用俄歇电子能谱(AES)对短路熔痕表层作刻蚀分析，分析O和C等元素的含量，用以推断短路发生时的周围环境气氛条件，另外应用光学显微镜（OM）和原子力显微镜（AFM）观测了熔痕微观组织，进行了不同条件熔痕凝固组织对比分析。电气事故中铜导线短路熔珠金相组织中的共晶体进行了定性和定量分析，通过（Cu+Cu2O）共晶体含量来区分PSM、SSM，含量>30%为PSM，含量<30%或者不含共晶体为SSM。利用扫描电子显微镜(SEM)对铜导线PSM熔痕和PSM熔痕的微观形貌进行了观察，并对PSM和SSM内部气孔进行了统计分析。分析了电流过载引起的铜导线过热熔断熔痕具有的特点：熔痕未熔化的粗晶粒区和细晶粒区之间有明确的界线。引入数字图像处理方法对短路熔痕金相图进行分析、处理，提取金相图中晶格的轮廓，提出分类参数，改进了金相分析方法。

总结上述研究进展，在电气火灾物证鉴定领域，主要存在以下缺陷：

1、迄今为止人们尚未搞清火灾短路熔痕的形成机理以及各种因素作用的规律，需要深入开展理论和实验研究，以揭示其中蕴涵的内在规律，促进火灾物证鉴定水平的提高。

2、在实际电气火灾案例物证鉴定工作中：一方面标准中缺乏相关对照标准图谱，对不同类别熔痕金相组织进行分析判断时，没有统一量化标准，主要靠人的肉眼观察结合个人经验对金相显微组织进行判断分类，在一定程度上缺乏客观性和通用性，容易出现误判。

3. 另一方面由于实际火灾现场环境复杂，金属熔痕形成过程中受到多种不确定性因素干扰，如短路点温度、凝固过冷度、电流脉冲作用等，很多情况下凝固之后难免继续受热，金属有可能再熔化或再结晶，最终形成的熔痕金相组织比较复杂。现有的标准中没有复杂成因条件下短路熔痕的判据，故不能直接判别熔痕性质。

综上所述，目前电气火灾物证鉴定技术方法客观上存在进一步提升的空间，仅仅依据传统的金属结晶的基本规律无法解释复杂成因条件下短路熔痕显微组织行为特征。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种一次二次短路试验箱，研究一次短路熔痕与火灾环境条件的关系，设计重点在于短路熔痕与其相关形成因素，比如电流，电压，周围温度变化，周围的气体氛围等。但由于短路熔痕的形成基本上与周围小区间的情况有关，与大范围内的环境因素起伏变化无较大关联。故在节省成本的基础上，按照比例，设计小型空间的试验箱，以便模拟一次短路熔痕的形成过程。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种一次二次短路试验箱，包括真空系统、加热系统、降温系统、制动系统、气氛热烟加湿系统、测试系统、电源系统以及控制系统，所述的加热系统包括试验箱本体，在所述的试验箱本体内设有测试箱，所述的测试箱包括工作腔体、围绕工作腔体起冷却作用的方通层、在方通层外侧设有的陶瓷保温层以及在陶瓷保温层内侧设有的加热棒；所述的测试箱与试验箱本体之间形成真空层；所述真空系统包括试验箱本体底部的真空泵、压缩机以及蒸发器与真空层以及工作腔体连通。

进一步具体的，所述的测试箱上设有用于观察的观察窗。

进一步具体的，所述的降温系统包括冷却机组以及与冷却机组连接的方通层，所述的方通层是由方形冷却管环绕而成的。

进一步具体的，所述的制动系统包括固定在测试箱内部的夹具，在所述的夹具下方设有丝杠驱动夹具运动，所述的丝杠通过电机驱动。

进一步具体的，所述的气氛热烟加湿系统包括加入管以及加入管上的流量控制器。

进一步具体的，所述的测试系统包括热电偶测温器、压力变送器、真空压力表以及压力传感器。

进一步具体的，所述的控制系统包括控制输入端通过PLC控制系统中各个元器件的工作状态。

本发明的有益效果是：采用了上述结构之后，基于模拟火灾现场氛围的模拟装置，从熔痕形成机理角度深入分析多种因素耦合作用下，短路熔痕组织的多态性,建立更加可靠的熔痕类型识别判据，提高电气火灾物证鉴定的准确度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、试验箱本体； 2、测试箱； 3、真空层； 4、观察窗。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示一种一次二次短路试验箱，包括真空系统、加热系统、降温系统、制动系统、气氛热烟加湿系统、测试系统、电源系统以及控制系统，所述的加热系统包括试验箱本体1，在所述的试验箱本体1内设有测试箱2，所述的测试箱2包括工作腔体、围绕工作腔体起冷却作用的方通层、在方通层外侧设有的陶瓷保温层以及在陶瓷保温层内侧设有的加热棒；所述的测试箱2与试验箱本体1之间形成真空层3；所述真空系统包括试验箱本体底部的真空泵、压缩机以及蒸发器与真空层以及工作腔体连通；所述的测试箱2上设有用于观察的观察窗4；所述的降温系统包括冷却机组以及与冷却机组连接的方通层，所述的方通层是由方形冷却管环绕而成的；所述的制动系统包括固定在测试箱内部的夹具，在所述的夹具下方设有丝杠驱动夹具运动，所述的丝杠通过电机驱动；所述的气氛热烟加湿系统包括加入管以及加入管上的流量控制器；所述的测试系统包括热电偶测温器、压力变送器、真空压力表以及压力传感器；所述的控制系统包括控制输入端通过PLC控制系统中各个元器件的工作状态。

模拟的工况细节如下：

真空中的一次短路：

目的：作为与其他各因素的对比项，做最单一因素的一次短路熔痕，可以在此刻研究电流的变化对熔痕结构的影响。

过程描述：将试验箱的压强抽到1.01×10^{^2}pa(绝对压强) 相对压强是10^-3pa（真空保持的时间和在多长时间下降的百分率）以下时，在不同电流或电压下（可以根据外部电源的不同，可以包括不同规格的插头，明确包括以下规格）

a.直流60v,50v,48v,36v,24v,12v的正负极之间的短路；

b.单向220v,127v,110v,36v,24v,12v相线与中性线(与地接通)之间短路；

c.三相380v的两相间短路；

d.三相380v三相间同时短路；

模拟直流或交流的一次短路熔痕；分2类进行：

a.短路后不释放真空，溶痕在真空中自由降温（但要明确夹具是不导热和导电,热的传导是随着电线走）；

b.真空中短路后，在真空中升温后再降温；

升温慢速：3℃-130℃/min，最高温度1100摄氏度，采用PID来控制计算加热（用继电器实现加热系统的通和断，但加热棒的寿命会比较短）；

降温速率：必须在：5℃-50℃/min（有没有更快的办法和速率）可以设置和调节，自由降温没有必要模拟。

空气中的一次短路：

目的：研究空气的影响，尤其是氧气的作用。

过程描述：大气环境下，进行一次短路，可与真空情况的样本进行对比。

不抽真空，直接在不同电流下短路，自由降温。

大气环境下，在不同电流下短路，在设定不同的升温和降温。

按照不同的氧氮比（O2（20.5%--13.3%）or (20-50%) ）混合气体，短路，自由降温或是设定升温和降温速率。

按照不同的氧氮比（N2 (70-90%) ）混合气体，短路，自由降温或是设定升温和降温速率。

按照质量计算出在这样固定的空间下，抽真空的情况下不同氧氮含量情况（自动控制，采用流量计和电磁阀，在箱体左右两旁边开孔，装上流量计，用瓶进行注入，用面板上的系统控制）下进行一次短路，同样可进行自由降温和固定降温速率的方式降温来模拟。当注入时，需要加上压力表测量压强到达大气压的附近值。

需要有测量空气（氧气和氮气）浓度或是压强变化，因为在一个封闭的大气环境进行短路实验，又由于内腔需要加热，所以相应的探测器装在外箱内，当加热时要关闭内外腔体的连接；当进行不同氧浓度的情况时，有一个孔可以注入氧气和氮气。

热烟中的一次短路：

目的：模拟和研究火灾中的烟尘对金属熔痕的影响

过程描述：可将模拟热烟状况分为：

在腔体内注入不同比例（13.5%-100%）的烟，然后根据热烟温度腔体加热，然后短路，自由降温。

先短路，再向腔体内注入不同比例（13.5%-100%）的烟，然后根据热烟温度腔体加热，然后自由降温。

没必要模拟烟的流动，由于研究的重心不能偏离熔痕。

模拟颗粒度不同的热烟影响，可以根据不同燃烧物产生的烟（可以加上点火装置）。

特定气氛环境中的一次短路：

目的：特殊火灾的环境模拟：比如一氧化碳和二氧化碳以及硫化物或是氯化物等对金属熔痕的影响，特定下，还可以使用示踪气体，明确空气中特定气体成分在熔痕形成中的运动机制。

过程描述：a.一类为在真空下，纯粹的单种气体注入，进行一次短路后，可进行自由降温和定速率降温。

b. 另一类为在大气环境下，注入一种气体，在混合气体中进行一次短路，再进行自由降温和定速率降温。

c. 在真空下短路，纯粹的单种气体注入，定速率升温和降温。

d. 在大气环境下短路，注入目中气体，定速升温和降温。

在一定湿度下的一次短路：

目的：模拟火灾消防系统的自动灭火系统或是消防队的灭火行动情况下的短路。

过程描述：a. 在箱体加热（65℃ ～ 86 ℃）的情况下，喷水系统的加入喷水，然后温度进一步升高，短路后按照设定速率升温和降温。

b.先短路后，后按照设定温度升温，但温度到达68℃就可以喷水，温度继续升温和降温。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种一次二次短路试验箱，包括真空系统、加热系统、降温系统、制动系统、气氛热烟加湿系统、测试系统、电源系统以及控制系统，其特征在于，所述的加热系统包括试验箱本体（1），在所述的试验箱本体（1）内设有测试箱（2），所述的测试箱（2）包括工作腔体、围绕工作腔体起冷却作用的方通层、在方通层外侧设有的陶瓷保温层以及在陶瓷保温层内侧设有的加热棒；所述的测试箱（2）与试验箱本体（1）之间形成真空层（3）；所述真空系统包括试验箱本体底部的真空泵、压缩机以及蒸发器与真空层以及工作腔体连通。

2.根据权利要求1所述的一次二次短路试验箱，其特征在于，所述的测试箱（2）上设有用于观察的观察窗（4）。

3.根据权利要求1所述的一次二次短路试验箱，其特征在于，所述的降温系统包括冷却机组以及与冷却机组连接的方通层，所述的方通层是由方形冷却管环绕而成的。

4.根据权利要求1所述的一次二次短路试验箱，其特征在于，所述的制动系统包括固定在测试箱内部的夹具，在所述的夹具下方设有丝杠驱动夹具运动，所述的丝杠通过电机驱动。

5.根据权利要求1所述的一次二次短路试验箱，其特征在于，所述的气氛热烟加湿系统包括加入管以及加入管上的流量控制器。

6.根据权利要求1所述的一次二次短路试验箱，其特征在于，所述的测试系统包括热电偶测温器、压力变送器、真空压力表以及压力传感器。

7.根据权利要求1所述的一次二次短路试验箱，其特征在于，所述的控制系统包括控制输入端通过PLC控制系统中各个元器件的工作状态。