Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation
UDK 343.983.25 Прочие судебно-технические расследования
The article presents the results of a study of recrystallization processes in copper conductors subjected to current overloads by determining the bending force. It was found that for conductors subjected to current overload with a multiplicity from 2.8 to 13, the bending force is from 0.6 to 1.16 kg, which is 2-6 times less than for a conductor not subjected to current overload (2.3–2.4 kg). Conductors subjected to current overloads are characterized by the presence of sites where recrystallization processes have not yet completed, and sites where copper is in a "post-crystallization" state. The authors proposed the use of the TOP-01-EP wire firing tester to determine copper stranded wires and cables subjected to current overloads at the scene of a fire-related incident. The criterion for the presence of such cable products is the simultaneous presence of cores in the initial (pre-crystallization) state and cores in which the recrystallization processes are almost completed, that is, cores for which the bending force will differ by 2 or more times.
fire, electrical wires, emergency mode, overload, overcurrents, bending force, wire firing tester, fire-technical expertise.
Введение
Значительное изменение вещной обстановки, повреждение или полное уничтожение следовой картины на месте происшествия, связанные с пожаром, обусловливают высокую трудоемкость и сложность расследования уголовных дел такой категории.
Традиционно при выдвижении и проверке версии о причине пожара органами предварительного следствия рассматриваются тепловые проявления электрического тока при аварийных режимах работы электрооборудования. Данная причина пожара, в соответствии со статистическими данными, занимает второе место после неосторожного обращения с огнем и составляет свыше 17 % от общего количества пожаров [1].
Наиболее распространенными объектами исследования, изымаемыми с мест происшествий, являются медные электрические проводники с признаками аварийного процесса в виде оплавлений в зонах их разрушений. Как правило, при обнаружении таких проводников возникает два
основных вопроса: какова причина разрушения электрического проводника и при каких условиях окружающей среды произошло разрушение проводника. Ответы на данные вопросы можно получить только при использовании специальных знаний в ходе производства судебной пожарно-технической экспертизы [см., напр., 2].
В научных работах по данному направлению не раз указвалось, что основными причинами разрушений медных электрических проводников являются механическое воздействие, внешнее тепловое воздействие, металлургический эффект (растворение тугоплавкого металла при попадании на него расплава более легкоплавкого металла), тепловые проявления аварийных режимов работы электрической сети, к которым относятся большое переходное сопротивление, металлические и неметаллические короткие замыкания, перегрузки по напряжению (перенапряжения) и току, а также искрение, вынос потенциала на металлоконструкции [напр., 3; 4]. Особую актуальность в условиях постоянного увеличения количества электропотребителей и их мощности приобретает исследование проводников, подвергшихся токовым перегрузкам. Идентификации таких проводников и методам их исследования с целью определения условий протекания аварийного процесса научным сообществом сегодня уделяется пристальное внимание [5–7].
Информацию о наличии или отсутствии признаков аварийного режима работы электросети и его виде можно, как правило, получить еще на этапе морфологического исследования электрических проводников в результате их визуального осмотра, а также с использованием методов световой и электронной микроскопии.
В учебной и научной литературе выделяют несколько признаков разрушения медного проводника вследствие теплового проявления электрического тока [8–10]:
– обугливание полимерной изоляции со стороны жилы проводника (при наличии сохранившихся участков);
– наличие на конце проводника оплавления, которое имеет четко выраженные границы и форму, характерную для оплавления, сформированного при воздействии электрической дуги короткого замыкания;
– наличие участков сплавления проволок многопроволочного проводника между собой;
– наличие локальных и протяженных участков увеличения или уменьшения сечения жилы проводника (утолщений и утончений) в результате плавления металла;
– наличие локальных шаровидных вздутий различного размера на поверхности жилы проводника (формируются при наличии изоляции во время протекания аварийного процесса);
– фрагментация жилы проводника при многократной перегрузке.
Необходимо отметить, что токовая перегрузка электрического проводника сопровождается его нагревом практически по всей длине прохождения тока. Возникающие при этом термические повреждения жилы по внешнему виду зачастую схожи с последствиями внешнего теплового воздействия, к которым также относятся протяженные зоны оплавления, изменения размера поперечного сечения проводника (рис. 1).
Рис. 1. Повреждения медного проводника в результате теплового действия токов перегрузки (сечение проводника 1,5 мм2, кратность перегрузки 3,4)
Перегрев электрического проводника как при воздействии тока, так и тепла пожара неизбежно приводит к изменению механических свойств проводника.
Общеизвестным методом оценки степени термического повреждения медного проводника является механическое воздействие на него путем изгиба. При температуре отжига ниже 800–900°С проводник сохраняет пластичность, при температуре отжига выше 800–900°С он становится хрупким и после двух – трех изгибов ломается.
Приборное обеспечение оценки степени термического повреждения медных проводников определением усилия изгиба было разработано ФГУ ВНИИПО МЧС России в виде тестера отжига проводов [11].
В основе метода лежит способность холоднодеформированного
металлического изделия восстанавливать пластичность в процессе нагрева в результате рекристаллизации. Определение степени рекристаллизации отдельных участков электрического проводника осуществляется методом определения величины усилия изгиба. С увеличением температуры нагрева степень рекристаллизации увеличивается, и соответственно, величина усилия изгиба при нагреве уменьшается.
Ю. Н. Елисеевым [12] в результате экспериментальных исследований было установлено, что при нагреве в течение 15 минут от 200 до 600°С медный проводник может находиться в одном из трех состояний:
– дорекристаллизационное (исходное) состояние (сохраняется до 200–300°С);
– состояние, при котором протекает процесс рекристаллизации и наблюдается значительное увеличение пластичности металла (до 400°С);
– послереклисталлизационное состояние, когда при дальнейшем увеличении температуры пластичность металла практически не меняется.
Величина усилия изгиба в указанном интервале температур снижалась в 2,5 и 5 раз для проводников сечением 2,5 мм2 и 1,5 мм2 соответственно.
Очевидно, что при тепловом проявлении электрического тока в проводнике также будут протекать процессы рекристаллизации, сопровождающиеся изменением механических свойств металла. Данные процессы могут отличаться от процессов, протекающих в медном проводнике при тепловом воздействии пожара, и зависеть от кратности перегрузки.
На основании вышеизложенного целью данной работы является исследование процессов рекристаллизации в медном проводнике в результате действия электрического тока методом определения усилия изгиба.
Основная часть
Для моделирования перегрузки электрической сети использовался нагрузочный трансформатор электросварочного аппарата «BestWeld PR300». Медные одножильные
однопроволочные проводники в поливинилхлоридной изоляции (сечение 1,5 мм2, длина 300 мм), размещенные горизонтально на поверхности лабораторного стола, подвергались токовым нагрузкам в 65 А, 80 А, 150 А, 200 А и 300 А при нормальных условиях окружающей среды. Кратность перегрузки составила 2,8; 3,5; 6,5; 8,7; 13 соответственно.
Для определения величины усилия изгиба использовался тестер отжига проводов ТОП-01-ЭП, состоящий из двух блоков – клещей и индикаторного устройства, с установленным в нем тензодатчиком (рис. 2).
Поверхность жил медных проводников перед измерением усилия изгиба очищалась от остатков карбонизированной полимерной изоляции.
Рис. 2. Тестер отжига проводов ТОП-01-ЭП
Измерение усилия изгиба проводилось с конца проводника в сторону оплавления, расстояние между участками измерений составляло 25 мм.
В результате исследования установлено, что для исходных проводников, которые не подвергались перегрузкам, величина усилия изгиба составляет 2,3–2,4 кг. Изменение усилия изгиба по длине проводника может быть обусловлено технологией получения медной проволоки.
В результате исследования установлено, что для проводников, подвергнутых токовой перегрузке, величина усилия изгиба составляет от 0,6 до 1,16 кг, что в 2–6 раз меньше, чем для проводника, не подвергавшегося токовой перегрузке. Максимальное снижение усилия изгиба по длине проводника на 0,54 кг (с 1,16 до 0,64 кг) наблюдалось при кратности перегрузки 2,8, минимальное изменение на 0,2 кг – при кратности перегрузки 3,5 и 8,7 (рис. 3). Для проводников характерно нелинейное изменение твердости и пластичности металла. С учетом экспериментальных данных, приведенных в работе С. В. Скодтаева [10], для проводников характерно наличие участков, на которых процессы рекристаллизации еще не завершились, и участков, на которых медь находится в «послерекристаллизационном» состоянии.
Рис. 3. Изменение усилия изгиба по длине проводника при кратности
перегрузки 2,8 (1); 3,5 (2); 6,5 (3), 8,7 (4); 13 (5)
Токовая перегрузка приводит к перегреву проводников практически по всей трассе прохождения сверхтоков и, соответственно, к снижению величины усилия изгиба по всей длине проводника. Следовательно, при исследовании многожильных медных проводников в зонах пожара, где температура составляла менее 300°С, можно установить одновременное наличие жил, находящихся в «дорекристаллизационном» (или исходном) состоянии, и жил, в которых процессы рекристаллизации практически завершены. Наличие таких проводников, величина усилия изгиба для которых будет отличаться
в 2–6 раз, будет свидетельствовать о протекании тепловых аварийных процессов в электрической сети.
Выводы и заключение
В результате проведенных экспериментальных исследований процессов рекристаллизации в медных проводниках, подвергнутых токовым перегрузкам, методом определения усилия изгиба установлено:
– для проводников, подвергнутых токовой перегрузке кратностью от 2,8 до 13, величина усилия изгиба составляет от 0,6 до 1,16 кг, что в 2–6 раз меньше, чем для проводника, не подвергавшегося токовой перегрузке (2,3–2,4 кг);
– для проводников, подвергнутых токовым перегрузкам, характерно наличие участков, на которых процессы рекристаллизации еще не завершились, и участков, на которых медь находится в «послерекристаллизационном» состоянии.
Предложено применение тестера отжига проводов ТОП-01-ЭП для определения на месте пожара медных проводников, подвергшихся токовой перегрузке.
1. Chechetina, T. A., Sibirko, V. I., Goncharenko, V. S., Zagumennova, M. V. Obstanovka s pozharami v Rossijskoj Federacii v 2022 godu { Fire situation in the Russian Federation in 2022]. Pozharnaya bezopasnost' - Fire safety. 2023, no. 1(110), pp. 92-109. (in Russian).
2. Klyuchnikov, V. Yu., Pen'kov, V. V., Dovbnya, A. V., Bogatishchev, A. I., Shul'gin, S. O. Opredelenie prichin razrusheniya mednyh provodnikov, izymaemyh s mest pozharov [Determination of the causes of destruction of copper conductors removed from fire sites]. Tipovye ekspertnye metodiki issledovaniya veshchestvennyh dokazatel'stv. CH. II. Pod red. A.YU. Semyonova. Obshchaya redakciya kand. tekhn. nauk V. V. Martynova - Typical expert methods for studying material evidence. Part II. Ed. A.Yu. Semenov. General edition of Ph.D. tech. Sciences V. V. Martynov. - M.: ECC of the Ministry of Internal Affairs of Russia, 2012. 800 p. (in Russian).
3. Lebedev, K. B., Mokryak, A. Yu., Cheshko, I. D. Ekspertnoe issledovanie posle pozhara kontaktnyh uzlov elektrooborudovaniya v celyah vyyavleniya priznakov bol'shih perekhodnyh soprotivlenij: Metodicheskie rekomendacii [Expert study after a fire of contact units of electrical equipment in order to identify signs of high transient resistances: Methodological recommendations]. Moscow, VNIIPO, 2008. 60 p. (in Russian).
4. Rudenko, M. B., Belyak, A. L. Ekspertnaya ocenka pozharoopasnogo proyavleniya avarijnyh rezhimov elektroseti avtotransportnyh sredstv [Expert assessment of fire hazardous manifestations of emergency modes of the electrical network of vehicles]. Kriminalistika: vchera, segodnya, zavtra - Forensics: yesterday, today, tomorrow. 2018, no. 4 (8), pp. 154-159. (in Russian).
5. Mokryak, A. Yu., Pen'kov, V. V., Cheshko, I. D., Shul'gin, S. O., Parijskaya, A. Yu., Kolmakov, A. I. Ekspertnoe issledovanie oplavlenij mednyh provodnikov, izymaemyh s mesta pozhara [Expert study of melting of copper conductors removed from the fire site]. Moscow, ECC of the Ministry of Internal Affairs of Russia, 2016. 80 p. (in Russian).
6. Kuznecov, K. L., Shekov, A. A. Vliyanie tokov peregruzki na formirovanie struktury metalla v zonah razrushenij mednyh provodnikov [The influence of overload currents on the formation of the metal structure in zones of destruction of copper conductors]. Vestnik Vostochno-Sibirskogo instituta MVD Rossii - Bulletin of the East Siberian Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia. 2016, no. 1 (76), pp. 97-105. (in Russian).
7. Mokryak, A. Yu. Ustanovlenie prirody oplavlenij mednyh provodnikov i latunnyh tokovedushchih izdelij pri ekspertize pozharov na ob"ektah energetiki: avtoreferat dis. … kand. tekhn. nauk [ Establishing the nature of melting of copper conductors and brass current-carrying products during the examination of fires at energy facilities. Abstract of the dis. … candidate of technical sciences]. Moscow, Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2018. 24 p. (in Russian).
8. Mokryak, A. Yu., Cheshko, I. D., Pen'kov, V. V. Morfologicheskij analiz mednyh provodnikov, podvergshihsya vozdejstviyu tokovoj peregruzki, pri ekspertize pozharov [Morphological analysis of copper conductors exposed to current overload during fire examination]. Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere - Problems of risk management in the technosphere. 2014, no. 4 (32), pp. 41-49. (in Russian).
9. Dashko, L. V., Sinyuk, V. D., Pen'kov, V. V., Dovbnya, A. V. Avtotransportnye sredstva kak ob"ekt pozharno-tekhnicheskoj ekspertizy: Uchebnoe posobie [Motor vehicles as an object of fire-technical examination: Textbook]. Ed. Ph.D. chem. Science L.V. Dashko. Moscow, ECC of the Ministry of Internal Affairs of Russia, 2022. 152 p. (in Russian).
10. Skodtaev, S. V. Mekhanizm i morfologicheskie priznaki avarijnyh pozharoopasnyh processov v elektrosetyah avtomobilej: dis. … kand. tekhn. nauk [Mechanism and morphological signs of emergency fire-hazardous processes in the electrical networks of cars. Dis. … candidate of technical sciences]. St. Petersburg, SPbU State Fire Service EMERCOM of Russia, 2019. 144 p. (in Russian).
11. Sposob opredeleniya stepeni termicheskogo porazheniya [Method for determining the degree of thermal damage]: Pat. 2342965 Russian Federation. No. 2006133276/12; application 09/18/2006; publ. 01/10/2009, Bulletin. 1. 6 p. (in Russian).
12. Eliseev, Yu. N. Issledovanie kabel'nyh izdelij na meste pozhara s pomoshch'yu testera otzhiga provodov [Study of cable products at the site of a fire using a wire annealing tester]. Pozharnaya bezopasnost': problemy i perspektivy - Fire safety: problems and prospects. 2015, vol. 2, no. 1 (6), pp. 308-311. (in Russian).
13. Pashchenko, K. G., Bahmatov, Yu. F., Kal'chenko, A. A., Ruzanov, V. V., Mihajlicyn, S. V., Yaroslavcev, A. V., Yaroslavceva, K. K., Terent'ev, D. V., Sheksheev, M. A., Tyuteryakov, N. Sh., Shashkin, D. A. Geometricheskie harakteristiki provoloki posle sovmeshchennogo processa besfil'ernogo volocheniya i ochistki poverhnosti [Geometric characteristics of wire after the combined process of dieless drawing and surface cleaning]. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya - Advances in modern natural science. 2014, no. 12, pp. 421-424. (in Russian).
14. Loginov, Yu. N., Illarionov, A. G., Demakov, S. L., Ivanova, M. A., Mysik, R. K., Zuev, A. Yu. Neodnorodnost' struktury nepreryvnolitoj medi [Heterogeneity of the structure of continuously cast copper]. Litejshchik Rossii - Russian foundry worker. 2011, no. 11, pp. 28-32. (in Russian).
15. Loginov, Yu. N., Demakov, S. L., Illarionov, A. G., Ivanova, M. A., Karabanalov, M. S. Vozniknovenie poristyh struktur v kislorodsoderzhashchej medi pri deformacionnom vozdejstvii [Emergence of porous structures in oxygen-containing copper under deformation]. Fizicheskaya mezomekhanika - Physical mesomechanics. 2013, vol. 16, no. 6, pp. 99-102. (in Russian).
