Металлографическое исследование алюминиевых проводников

№ п/п

Учебные вопросы

Время (мин)

Содержание учебного вопроса, метод отработки и материальное обеспечение (в т.ч. технические средства обучения) учебного вопроса

1

2

3

4

1

Введение

10 мин

Большинство пожаров от электроустановок происходит из-за аварийных режимов в электропроводке. Наибольшая вероятность пожара от электропроводок определяется в первую очередь тем, что удельный вес электропроводки среди прочих электроприборов очень высок, электропроводка имеет большую протяженность, она проходит в непосредственной близости от горючих материалов и конструкций по стенам, балкам, перекрытиям.

Необходимо напомнить, что к пожароопасным режимам в электропроводке относятся короткие замыкания, перегрузки и большие переходные сопротивления:

- короткое замыкание (КЗ) – аварийный режим работы электросети, при котором происходит соединение токоведущих частей разных фаз или потенциалов между собой  или на корпус заземленного оборудования, в сетях электроснабжения или в электроприемниках, не предусматривающих такой режим работы;

- перегрузка – аварийный режим работы электросети, при котором в проводниках сетей электроснабжения или в электроприемниках возникают токи, длительно превышающие величины, допускаемые нормами;

- большие переходные сопротивления (БПС) – аварийный режим работы электросети, при котором в местах соединения проводников с недостаточной площадью контакта, при переходе тока с одной контактной поверхности на другую возникают высокие значения плотности тока, превышающие величины, допускаемые нормами.

Признаками протекания короткого замыкания на проводниках являются локальные оплавления шарообразной, овальной, конусообразной формы, в виде косого или поперечного среза; на прилегающей к оплавлению поверхности проводника могут наблюдаться мелкие шарообразные капли металла. Признаком короткого замыкания на металлических изделиях (металлоруковах, корпусах приборов) являются локальные прожоги и проплавления.

Признаками протекания перегрузки кабельных изделий является отслоение и обугливание изоляции со стороны токопроводящих жил; вздутие, утолщение, утончение (шейка) металла проводника и поверхностное оплавление проводника при сохранении формы и диаметра.

Признаками больших переходных сопротивлений являются многочисленные микрооплавления и изъязвление (электрическая эрозия) на контактирующих поверхностях.

Из перечисленных выше аварийных режимов особенно велика доля коротких замыканий.

Признаками термического воздействия пламени пожара являются значительно окисленные протяженные оплавления (сплавления) жил проводов произвольной формы с неровными поверхностями, покрытыми газовыми порами и вырывами.

Из трех аварийных режимов, которые выделяются в данных методиках относительно момента возникновения пожара можно дифференцировать лишь КЗ, обнаруженное только на электропроводке и корпусе электрощита без длительного воздействия температур: в случае с медной проводкой более 900оС, в случае с алюминиевой более 400оС, в случае со стальным щитом более 727оС.

2

Металлографический анализ

алюминиевых проводников

80 мин

Оборудование и расходные материалы необходимые для металлографии:

• Отрезной станок, ножницы по металлу или бокорезы;
• Шлифовально-полировальный станок;
• Установка для электролитического полирования и травления или аналог;
• Расходные материалы:

- абразивные круги;

- пасты;

- ткани;

- реактивы для приготовления растворов травления.

Для исследования микроструктуры металлических проводников в месте оплавления необходимо приготовить микрошлиф.

Технология приготовления микрошлифов из алюминия.

Пробоподготовка. Шлифование и полирование

Для приготовления микрошлифа, от проводника со следами воздействия дуги КЗ отрезают участок с оплавлением на конце протяженностью 30 - 40 мм. Алюминиевый проводник на расстоянии 10 - 15 мм от места оплавления изгибают под прямым углом. Далее на керамическую пластину устанавливают круглую металлическую оправку и внутрь оправки помещается образец так, чтобы между краями образца и внутренней стенкой оправки оставался зазор 3 - 5 мм. Оправку наполняют быстротвердеющими пластмассами типа «Дентакрил» или эпоксидной смолой с отвердителем и после полимеризации жидкой массы выпрессовывают образец из оправки. При этом конец алюминиевого проводника должен выступать над верхней плоскостью шлифа на 10—15 мм. Обработка поверхности микрошлифа производится с помощью наждачной бумаги, которую при шлифовании вручную помещают на плоское основание, а при механическом — закрепляют на круге шлифовального станка. Обработка шлифа на наждачной бумаге проводится примерно до половины сечения проволоки. Шлифование алюминия рекомендуется начинать с бумаги № 320, затем № 800 и заканчивать на бумаге с мелким абразивным зерном типа № 2000. При переходе с одной наждачной бумаги на другую необходимо менять направление шлифовки на 90° и каждый раз тщательно удалять абразив со шлифа проточной водой и ватным тампоном, смоченным в этиловом спирте.

Выявление микроструктуры меди и алюминия. Способы травления

Выявление границ зерен на механически полированных шлифах алюминия вызывает большие трудности из-за наличия на поверхности деформированного слоя, маскирующего истинную структуру. В этих случаях микрошлифы из алюминия подвергают электрополированию, в результате чего снимается наклепанный (деформированный) слой и облегчается процесс последующего травления.

Для электрополирования алюминия применяется хлорно-спиртовой электролит. Состав электролита: этиловый спирт 80 % - 4 части, хлорная кислота НСlO4 20 % - 1 часть. Для приготовления электролита необходимо сначала налить спирт, а в него, охлаждая раствор водой, налить хлорную кислоту. Электролит можно применять сразу после приготовления. Лучше проводить полирование при охлаждении. Рабочее напряжение U=30 В. Если при этом образуется белый налет, его можно снять в кипящей серной кислоте. Можно применять другой электролит следующего состава: ортофосфорная кислота Н3РО4 - 400 см3 (γ = 1,42), серная кислота Н2SO4 — 400 см3 (γ = 1,82), хромовый ангидрид (CrO3 — 50 г, дистиллированная вода — 25 см3). Для приготовления электролита нужно растворить CrO3 в воде (можно нагреть) и потом влить туда кислоты. Полировать лучше при температуре +70 °С, U = 40 В.

Для выявления дендритного строения литого материала, химической неоднородности твердого раствора и зеренного строения алюминия рекомендуется применять метод исследования структуры с помощью тонких окисных пленок. В результате нанесения на шлиф тонких окисных пленок в поляризованном свете выявляется зерно почти всех алюминиевых сплавов в любом состоянии. Для анодного окисления используется следующий электролит: дистиллированная вода - 98 мл, борофтороводородная кислота - 2 мл (12 мл борной кислоты в 25 мл плавиковой). Напряжение при окислении - 15 В, время окисления - 2 мин., катод — свинцовая пластина, температура электролита — комнатная.

Для нанесения пленки « + » источника постоянного напряжения 15 В с помощью зажима подсоединяется к торчащему из шлифа куску исследуемого провода, «—» подсоединяют к свинцовой пластине, которую помещают в электролит. Затем окунают шлиф в электролит и подают постоянное напряжение. При работе с плавиковой кислотой необходимо соблюдать осторожность, так как она активно реагирует со стеклом. Хранить плавиковую кислоту рекомендуется в емкостях из пластмассы (например, в емкостях из-под канцелярского клея). Процесс анодного окисления рекомендуется проводить в вытяжном шкафу.

Условия и оборудование для проведения металлографического анализа

Изучение микроструктуры производится на любом металлографическом микроскопе — МИМ-7, МИМ-8, ММР-4, МЕТАМ РВ-21, МЕТАМ ЛВ-31 и др. Структуру алюминия целесообразно исследовать при увеличении 100-200х в белом свете. Фотографирование микроструктуры необходимо выполнить в минимальный промежуток времени во избежание окисления поверхности шлифа. Для предотвращения преждевременного окисления шлифы необходимо хранить в эксикаторе.

Признаки, дифференцирующие ПКЗ (ВКЗ) алюминиевых проводников на основании металлографического исследования

В случае ПКЗ в месте оплавления микроструктура алюминиевого проводника представляет собой вытянутые столбчатые зерна (рисунок 1) и отсутствие газовых раковин и пор.

В случае ВКЗ наблюдается равноосная литая структура (рисунок 2). Часто в оплавленном участке наблюдаются газовые раковины и поры.

Решение вопроса о моменте возникновения КЗ по микроструктуре алюминиевых проводников возможно в том случае, если температура последующего нагрева не превышала 600°С.

[pic 1]

Рисунок 1 - Микроструктура алюминиевого проводника при ПКЗ (200х)

[pic 2]

Рисунок 2 - Микроструктура алюминиевого проводника при ВКЗ (200х)