Способ определения механизма короткого замыкания медных жил кабельных изделий с помощью рентгеновской флуоресценции

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», май 2010

Короткое замыкание (в даль-

нейшем КЗ) в электросистемах

является аварийным режимом,

тепловые проявления которого

рассматриваются как возможные

источники зажигания при опре-

делении причины пожара [1,2].

При этом крайне важно точно

знать почему возникло КЗ, и что

могло послужить причиной раз-

рушения изоляции. Именно эта

информация о механизме воз-

никновения КЗ является осно-

вополагающей при определении

причастности пожароопасных

проявлений КЗ к источнику зажи-

гания.

В настоящее время для опре-

деления причастности тепловых

проявлений электрического тока

к источнику зажигания использу-

Способ определения механизма
короткого замыкания медных жил
кабельных изделий с помощью
рентгеновской флуоресценции

Черничук Ю.П.,

заместитель начальника Судебно-экспертного центра

федеральной противопожарной службы по городу Москве;

Москвич С.В.,

начальник отдела исследовательских и испытательных работ

в области пожарной безопасности Судебно-экспертного центра

федеральной противопожарной службы по городу Москве;

Забелин С.А.,

инженер отдела исследовательских и испытательных работ

в области пожарной безопасности Судебно-экспертного центра

федеральной противопожарной службы по городу Москве

Ю.П. Черничук

С.В. Москвич

С.А. Забелин

Актуально

ÔËÓÎÐÅÑÖÅÍÖÈß

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», май 2010

ется широкий спектр разработок

ФГУ ВНИИПО МЧС России, ФГУ

ЭКЦ МВД России, АГПС МЧС

России [3,4], основанных на уче-

те параметров окружающей сре-

ды (газового состава и темпера-

туры), в которой произошло КЗ.

Однако, практика Судебно-

экспертного центра федераль-

ной противопожарной службы по

городу Москве (далее СЭЦ ФПС

по г. Москве) по исследованию

пожаров свидетельствует о том,

что, иногда кроме признаков, ко-

торые изложены в рассмотрен-

ных выше методиках и методи-

ческих рекомендациях [4,5], тре-

буется определить еще и меха-

низм возникновения КЗ, а так-

же вид (элементный состав) зам-

кнувшихся токопроводящих ма-

териалов.

В настоящее время в СЭЦ

ФПС по г. Москве для диагно-

стирования КЗ в электропрово-

дах разработан и успешно при-

меняется метод рентгеновской

флуоресценции. Это стало воз-

можным благодаря появлению

на рынке соответствующего но-

вого криминалистического обо-

рудования, и в частности СУР-01

«Реном» (рис.1). Этот метод удач-

но сочетается с методами [1-3]

и дополняет их при проведении

пожарно-технических экспертиз.

Рентгеноспектральный флуо-

ресцентный анализ (РСФА) — это

быстрый, неразрушающий и без-

опасный для окружающей среды

метод анализа, обладающий вы-

сокой точностью и воспроизво-

димостью результатов [6-9]. Ме-

тод позволяет качественно, по-

луколичественно и количествен-

но определять все элементы от

бериллия до урана, находящие-

ся в порошкообразных, твердых

и жидких пробах.

Метод основан на зависимо-

сти интенсивности рентгенов-

ской флуоресценции от кон-

центрации элемента в образ-

це (рис. 2). Когда атомы образ-

ца облучаются фотонами с высо-

кой энергией — возбуждающим

первичным излучением рентге-

новской трубки, это вызывает

испускание электронов. Элек-

троны покидают атом. Как след-

ствие, в одной или более элек-

тронных орбиталях образуются

Рис.1. Внешний вид рентгеновского
аппарата СУР-01 «Реном»

Рис.2. Поясняющая схема рентгеновской флуоресценции

Гамма лучи

Рентгеновские
лучи

Рентгеновская
флуоресценсия

Атомное
поглощение/
испускание

Электронный
резонанс
(спин)

Ядерный
магнитный
резонанс

Спектры
молекулярных
– колебаний
– вращений

Ультрафиолет
видимый свет

Инфракрасный
свет

Микроволновое
излучение

Радио волны

-13

–

-12

–

-11

–

-10

–

-9

–

-8

–

-7

–

-6

–

-5

–

-4

–

-3

–

0,01 –

0,1 –

1 –

Электрон

Ядро

Фотоэлектрон

К орбиталь

Рентгеновский
фотон

Рентгеновская
флуоресценция
(текенинг)

L орбиталь

К орбиталь

L орбиталь

О
N
M

Nα

α β

α β γ

α β γ δ

М линии

Л линии

Энерг

я иона

К линии (график)

Актуально

ÔËÓÎÐÅÑÖÅÍÖÈß

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», май 2010

«дырки» — вакансии, благодаря

чему атомы переходят в возбуж-

денное состояние, т.е. становят-

ся нестабильны. Через миллион-

ные доли секунды атомы возвра-

щаются к стабильному состоя-

нию, когда вакансии во внутрен-

них орбиталях заполняются элек-

тронами из внешних орбиталей.

Такой переход сопровождается

испусканием энергии в виде вто-

ричного фотона — этот феномен

и называется «флуоресценция».

Энергия вторичного фото-

на находится в диапазоне энер-

гий рентгеновского излучения,

которое располагается в спек-

тре электромагнитных колеба-

ний между ультрафиолетом и

гамма-излучением. Различные

электронные орбитали обозна-

чаются

и.т.д., где

— ор-

биталь, ближайшая к ядру. Каж-

дой орбитали электрона в атоме

каждого элемента соответству-

ет собственный энергетический

уровень. Энергия испускаемого

вторичного фотона определяет-

ся разницей между энергией на-

чальной и конечной орбиталей,

между которыми произошел пе-

реход электрона.

Математическая обработка

спектра позволяет проводить ко-

личественный и качественный

анализ. Длина волны испускае-

мого фотона связана с энергией

формулой

E = E

1 —

2 =

где

1 и

2 — энергии орбиталей, меж-

ду которыми произошел переход элек-

трона,

— постоянная Планка,

— ско-

рость света,

— длина волны испускае-

мого (вторичного) фотона.

Следовательно, длина вол-

ны флуоресценции является ин-

дивидуальной характеристи-

кой каждого элемента и называ-

ется характеристической флу-

оресценцией. В то же время ин-

тенсивность (число фотонов, по-

ступающих за единицу време-

ни) пропорциональна концен-

трации (количеству атомов) со-

ответствующего элемента. Это

дает возможность элементно-

го анализа вещества: определе-

ние количества атомов каждо-

го элемента, входящего в состав

образца.

Таким образом, с помощью

данного метода можно опреде-

лить элементный состав веще-

ства (сплава), образовавшегося

на жиле проводника при КЗ.

Экспериментально установле-

но, что если КЗ произошло меж-

ду медными жилами проводов,

то на спектрограмме оплавления

видны только пики меди (возмож-

но примеси в зависимости от со-

рта меди) (рис. 3).

Если же КЗ произошло меж-

ду медной жилой и стальным

Рис. 3. Спектрограмма сплава Cu+Cu

Рис. 4. Спектрограмма сплава Cu+Fe

Актуально

ÔËÓÎÐÅÑÖÅÍÖÈß

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», май 2010

предметом, то на спектрограм-

ме оплавления видны пики меди

и железа (рис. 4).

При КЗ медных жил на свин-

цовую деталь на спектрограм-

ме видны пики меди и свинца

(рис. 5).

В некоторых случаях КЗ может

произойти в электронных блоках

электроустройств, когда медные

жилы соединительных электро-

проводов по какой-то причине

соприкасаются с припоем печати

на плате блока. В этом случае на

спектрограмме видны пики меди,

олова и свинца (в зависимости от

состава припоя) (рис. 6).

Следовательно, с помощью

этого метода по элементному со-

ставу образовавшегося в месте

КЗ сплава возможно определить

механизм возникновения КЗ.

При этом следует отметить,

что область возможностей по

определению элементов в рам-

ках «Периодической системы

элементов Д.И. Менделеева» за-

висит от технических характери-

стик рентгеновского аппарата

(материала анода трубки, напря-

жения и тока трубки и др.).

Литература

1. Смелков Г.И. Пожарная опас-

ность электропроводок при ава-

рийных режимах. — М.: Энергоиз-

дат, 1984.

2. Смелков Г.И. Пожарная безо-

пасность электропроводок. — М.:

ООО «Кабель», 2009. 328 с.

Смелков Г.И., Александ-

ров А.А., Пехотиков В.А. Методы

определения причастности к по-

жарам аварийных режимов в элек-

трических устройствах. М., Строй-

издат, 1980.

4. Исследование медных и алю-

миниевых проводников в зонах ко-

роткого замыкания и термическо-

го воздействия / Митричев Л.С.,

Колмаков А.И., Степанов Б.В., Рос-

синская Е.Р., Вртанесьян Э.В.,

Зернов С.И. — М.: ВНИИ МВД

СССР,1986.

5. Зернов С.И., Черничук Ю.П.

Проблемы применения и совер-

шенствования методик исследо-

вания следов короткого замыка-

ния при установлении причин по-

жаров автомобилей. Актуальные

вопросы судебных экспертиз: ма-

териалы Всероссийской научно-

практической конференции.

Иркутск: ГОУ ВПО «Восточно-

Сибирский институт МВД России,

2007.

6. Рентгенофлуоресцентный

анализ / Под ред. Н.Ф. Лосева. Но-

восибирск: Наука, 1991. 170 с.

7. Блохин М.А. Методы рентге-

носпектральных исследований. М.:

ГИФМЛ, 1959. 384 с.

8. Рентгенофлуоресцентный

анализ /Под ред. Х. Эрхардта. М.:

Металлургия, 1985. 253 с.

9. http://www.xrf.ru/theory.html.

Рис. 6. Спектрограмма сплава Cu+Pb+Sn

Рис. 5. Спектрограмма сплава Cu+Pb

Актуально

ÔËÓÎÐÅÑÖÅÍÖÈß

Оригинал статьи: Способ определения механизма короткого замыкания медных жил кабельных изделий с помощью рентгеновской флуоресценции

Читать онлайн

В настоящее время в СЭЦ ФПС по г. Москве для диагностирования короткого замыкания в электропроводах разработан и успешно применяется метод рентгеновской флуоресценции.