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

Короткое замыкание (в дальнейшем КЗ) в электросистемах является аварийным режимом, тепловые проявления которого рассматриваются как возможные источники зажигания при определении причины пожара [1,2].
При этом крайне важно точно знать почему возникло КЗ, и что могло послужить причиной разрушения изоляции. Именно эта информация о механизме возникновения КЗ является основополагающей при определении причастности пожароопасных проявлений КЗ к источнику зажигания.

В настоящее время для определения причастности тепловых проявлений электрического тока к источнику зажигания используется широкий спектр разработок ФГУ ВНИИПО МЧС России, ФГУ ЭКЦ МВД России, АГПС МЧС России [3,4], основанных на учете параметров окружающей среды (газового состава и температуры), в которой произошло КЗ.
Однако, практика Судебно-экспертного центра федеральной противопожарной службы по городу Москве (далее СЭЦ ФПС по г. Москве) по исследованию пожаров свидетельствует о том, что, иногда кроме признаков, которые изложены в рассмотренных выше методиках и методических рекомендациях [4,5], требуется определить еще и механизм возникновения КЗ, а также вид (элементный состав) замкнувшихся токопроводящих материалов.
В настоящее время в СЭЦ ФПС по г. Москве для диагностирования КЗ в электропроводах разработан и успешно применяется метод рентгеновской флуоресценции. Это стало возможным благодаря появлению на рынке соответствующего нового криминалистического оборудования, и в частности СУР-01 «Реном» (рис.1). Этот метод удачно сочетается с методами [1-3] и дополняет их при проведении пожарно-технических экспертиз.

Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РСФА) — это быстрый, неразрушающий и безопасный для окружающей среды метод анализа, обладающий высокой точностью и воспроизводимостью результатов [6-9]. Метод позволяет качественно, полуколичественно и количественно определять все элементы от бериллия до урана, находящиеся в порошкообразных, твердых и жидких пробах.

Метод основан на зависимости интенсивности рентгеновской флуоресценции от концентрации элемента в образце (рис. 2). Когда атомы образца облучаются фотонами с высокой энергией — возбуждающим первичным излучением рентгеновской трубки, это вызывает испускание электронов. Электроны покидают атом. Как следствие, в одной или более электронных орбиталях образуются «дырки» — вакансии, благодаря чему атомы переходят в возбужденное состояние, т.е. становятся нестабильны. Через миллионные доли секунды атомы возвращаются к стабильному состоянию, когда вакансии во внутренних орбиталях заполняются электронами из внешних орбиталей. Такой переход сопровождается испусканием энергии в виде вторичного фотона — этот феномен и называется «флуоресценция».
Энергия вторичного фотона находится в диапазоне энергий рентгеновского излучения, которое располагается в спектре электромагнитных колебаний между ультрафиолетом и гамма-излучением. Различные электронные орбитали обозначаются K, L, M и.т.д., где К — орбиталь, ближайшая к ядру. Каждой орбитали электрона в атоме каждого элемента соответствует собственный энергетический уровень. Энергия испускаемого вторичного фотона определяется разницей между энергией начальной и конечной орбиталей, между которыми произошел переход электрона.
Математическая обработка спектра позволяет проводить количественный и качественный анализ. Длина волны испускаемого фотона связана с энергией формулой:

E = E1 — E2 = hc / l ,

где E1 и E2 — энергии орбиталей, между которыми произошел переход электрона, h — постоянная Планка, с — скорость света, l — длина волны испускаемого (вторичного) фотона.

Следовательно, длина волны флуоресценции является индивидуальной характеристикой каждого элемента и называется характеристической флуоресценцией. В то же время интенсивность (число фотонов, поступающих за единицу времени) пропорциональна концентрации (количеству атомов) соответствующего элемента. Это дает возможность элементного анализа вещества: определение количества атомов каждого элемента, входящего в состав образца.
Таким образом, с помощью данного метода можно определить элементный состав вещества (сплава), образовавшегося на жиле проводника при КЗ. Экспериментально установлено, что если КЗ произошло между медными жилами проводов, то на спектрограмме оплавления видны только пики меди (возможно примеси в зависимости от сорта меди) (рис. 3).

Если же КЗ произошло между медной жилой и стальным предметом, то на спектрограмме оплавления видны пики меди и железа (рис. 4).

При КЗ медных жил на свинцовую деталь на спектрограмме видны пики меди и свинца (рис. 5).

В некоторых случаях КЗ может произойти в электронных блоках электроустройств, когда медные жилы соединительных электропроводов 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 составу образовавшегося в месте КЗ сплава возможно определить механизм возникновения КЗ.
При этом следует отметить, что область возможностей по определению элементов в рамках «Периодической системы элементов Д.И. Менделеева» зависит от технических характеристик рентгеновского аппарата (материала анода трубки, напряжения и тока трубки и др.).

Литература
1. Смелков Г.И. Пожарная опасность электропроводок при аварийных режимах. — М.: Энергоиздат, 1984.
2. Смелков Г.И. Пожарная безопасность электропроводок. — М.: ООО «Кабель», 2009. 328 с.
3. Смелков Г.И., Александров  А.А., Пехотиков В.А. Методы определения причастности к пожарам аварийных режимов в электрических устройствах. М., Стройиздат, 1980.
4. Исследование медных и алюминиевых проводников в зонах короткого замыкания и термического воздействия / Митричев Л.С., Колмаков А.И., Степанов Б.В., Россинская Е.Р., Вртанесьян Э.В., Зернов С.И. — М.: ВНИИ МВД СССР,1986.
5. Зернов С.И., Черничук Ю.П. Проблемы применения и совершенствования методик исследования следов короткого замыкания при установлении причин пожаров автомобилей. Актуальные вопросы судебных экспертиз: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Иркутск: ГОУ ВПО «Восточно-Сибирский институт МВД России, 2007.
6. Рентгенофлуоресцентный анализ / Под ред. Н.Ф. Лосева. Новосибирск: Наука, 1991. 170 с.
7. Блохин М.А. Методы рентгеноспектральных 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.