Analýza elektrických vodičov

Úvod

Podľa Dvořáka a kol. (2011) sú na skúmanie parametrov natavených častí vodičov elektroinštalácie vhodné nasledovné metódy:
• optická mikroskopia,
• elektrónová mikroskopia,
• energiovo disperzná röntgenová spektrometria,
• röntgenová difrakčná analýza,
• infračervená spektroskopia,
• Ramanova spektroskopia.
Uvedené metódy slúžia na rozlíšenie medzi primárnym a sekundárnym skratom.
Ako primárny sa označuje taký skrat, od ktorého vznikol požiar. Sekundárny skrat je taký, ktorý vznikol následkom požiaru. Rozlíšenie medzi primárnym a sekundárnym skratom je založené na rozdielnosti podmienok v ktorých vznikli. Primárny skrat vzniká obyčajne pri nižšej teplote okolia (v porovnaní s teplotou požiaru) a atmosfére s obsahom kyslíka 20,95 obj. %. Sekundárny skrat vzniká naopak pri vyššej teplote (ako je bežná teplota okolia) a v atmosfére s nižšou koncentráciou kyslíka ako 20,95 obj. % (obyčajne pri koncentrácii kyslíka medzi 5 až 20 obj. %).
Dvořák a kol. (2011) považujú za charakteristické znaky, ktoré s určitou pravdepodobnosťou umožňujú rozlíšenie medzi primárnym a sekundárnym skratom medeného vodiča obsah kyslíka v natavenej časti, kontaminácia povrchu natavenej časti a vzdialenosť vetiev dendritov. V prípade hliníkových vodičov súčasný stav poznania neumožňuje rozlíšenie medzi primárnym a sekundárnym skratom s dostatočnou mierou spoľahlivosti.
Prítomnosť eutektika Cu+Cu2O v natavenej časti znamená, že roztavená meď bola v styku s atmosférou obsahujúcou kyslík. Je možné očakávať, že čím je obsah kyslíka (eutektika) v natavenej časti vyšší, tým lepšie podmienky boli pre jeho absorpcii v roztavenej medi - tzn. tým vyššia bola teplota roztavenej medi, doba jej existencie a obsah kyslíka v okolitej atmosfére. Vo vykonaných experimentoch bolo eutektikum Cu+Cu2O nájdené len u primárnych skratov realizovaných na vzduchu. V prípade primárnych skratov realizovaných v dusíku a u primárnych skratov medzi izolovanými vodičmi v peci nebolo (s výnimkou jedného prípadu) eutektikum nájdené. Z uvedených výsledkov vyplýva, že v prípade prítomnosti významného množstva eutektika (hlavne v natavených častiach s malými rozmermi) sa jedná o primárny skrat (skrat medzi obnaženými vodičmi s dobrým prístupom okolitého vzduchu). Tento záver je však potrebné aplikovať mimoriadne opatrne a vždy s ohľadom na podmienky konkrétneho požiaru. Dôvodom je, že modelové experimenty so sekundárnymi skratmi boli vykonané v uzatvorenej peci, kde následkom horenia polymérnej izolácie došlo k rýchlemu zníženiu koncentrácie kyslíka v atmosfére.
V reálnych podmienkach však môže byť požiar dostatočne odvetraný, takže aj natavené časti zo sekundárnych skratov môžu obsahovať určité množstvo kyslíka. Na druhej strane, ak je skratová guľôčka veľká a dobre vyvinutá s hrubou štruktúrou a napriek tomu v nej nie je prítomné žiadne eutektikum, je možné s istou mierou pravdepodobnosti usudzovať na sekundárny skrat vzniknutý následkom požiaru až po vyhorení izolácie vodiča (obmedzený prístup kyslíka). Aj tento záver však musí byť aplikovaný mimoriadne opatrne (Dvořák a kol. 2011).
Analýza kontaminácie povrchu nataveného miesta pre rozlíšenie primárneho a sekundárneho skratu je podľa niektorých autorov (napr. Chen a kol. 2003 a Dvořák a kol. 2011) sľubnou metódou, ale vyžaduje si náročné prístrojové vybavenie. Kontaminácia natavenej časti napr. uhlíkom, chlórom apod. by mala byť vyššia v prípade sekundárneho skratu (Chen a kol. 2003) u ktorého bola roztavené časť dlhší čas v styku so splodinami horenia PVC izolácie. Takáto kontaminácia však môže byť prítomná aj v primárnych skratoch, pričom jej zdrojom môžu byť organické látky alebo PVC izolácia vodiča z jeho okolia. Pre detailné rozlíšenie by bolo potrebné vykonať analýzu nie len samotného povrchu, ale tiež stanovenie koncentračného profilu uhlíka a chlóru vo veľmi tenkej submikrónovej povrchovej vrstve natavenej časti. Vo vedeckej práci Chena a kol. (2003)
bolo dokázané, že tieto profily sa u oboch typov skratov významne líšia. Bolo zistené, že v natavených častiach z primárnych skratov je prítomná len tenká vrstva obohatená uhlíkom a chlórom, zatiaľ čo v natavenej časti zo sekundárnych skratov je povrchová vrstva obohatená týmito prvkami výrazne hrubšia. Na vykonanie uvedenej analýzy je však potrebná pomerne náročná experimentálna technika (napr. röntgenová fotoelektrónová spektroskopia) (Dvořák a kol. 2011).
Tretí parameter pre rozlíšenie medzi primárnym a sekundárnym skratom - vzdialenosť vetiev dendritov vychádza z toho, že pri primárnom skrate roztavená meď tuhe pri relatívne nižšej teplote okolia (do približne 400 °C), ako v prípade skratu sekundárneho (nad 500 °C) (Lee a kol. 2000). To znamená, že primárne skraty majú vyššiu rýchlosť ochladzovania a teda aj jemnejšiu štruktúru a menšiu vzdialenosť vetiev dendritov ako skraty sekundárne. Vo vedeckej práci Leeho a kol. (2000) boli zistené vzdialenosti vetiev primárnych dendritov medi pre teploty okolia do 400 °C (primárny skrat) do približne 5 μm. Pre vyššie teploty okolia (sekundárny skrat) až do 22 μm. Vo vedeckej práci Vojtěcha (2007) boli pre primárne skraty realizované na vzduchu stanovené vzdialenosti vetiev dendritov v rozmedzí od 7 do 26 μm. Výsledky vedeckej práce Vojtěch (2007) sú teda v rozpore s výsledkami vedeckej práce Leeho a kol. (2000). Príčinou boli pravdepodobne
rozdielne podmienky experimentu. S určitou mierou pravdepodobnosti je však možné predpokladať, že ak v dobre vyvinutej a na kyslík bohatej natavenej časti sú prítomné veľmi jemné dendrity primárnej medi (vzdialenosť vetví do približne 10 μm), jedná sa o primárny skrat (Dvořák a kol. 2011).
Štruktúru zliatin Cu-O s odstupňovaným obsahom kyslíka (od 0,02 hmot. % do 0,5 hmot. %) ilustrujú obrázky. 

Obrázok 1  Štruktúra zliatiny Cu-O s variabilným obsahom kyslíka(Lyman 1973 a Dvořák a kol. 2011)

Na tomto mieste je však potrebné upozorniť, že pri zlišovaní primárneho a sekundárneho skratu na základe vyššie popísaný metód, je potrebné zachovať mimoriadne vysokú mieru opatrnosti. Nakoľko napriek skutočnosti, že výskumu v tejto oblasti sa venuje úsilie pomerne dlhú dobu, stále nebol exaktne kvantifikovaný vplyv všetkých vonkajších faktorov. Jedným z uvedených faktorov je napr. rýchlosť prúdenia vzduchu (splodín horenia) okolo natavenej časti v okamihu vzniku skratu. Vplyv koncentrácie kyslíka a rýchlosti prúdenia plynov na vizuálny vzhľad miesta skratu medených vodičov ilustrujú obr. 2 a 3 Z obr. 2vyplýva, že na mieste vzniku skratu (natavenej časti) v atmosfére dusíka nie sú prítomné vizuálne pozorovateľné znaky oxidácie, zatiaľ čo na mieste skratu v atmosfére kyslíka došlo k silnému zoxidovaniu medi. Tento výsledok bol vo všeobecnosti očakávaný, ale zaujímavejšie výsledky prezentuje obr. 3. Z citovaného obr. vyplýva, že na rozsah oxidácie (vyhodnotený na základe vizuálneho pozorovania) má významný vplyv rýchlosť prúdenia oxidačnej zmesi. Na tomto mieste je potrebné upozorniť, že za podmienok reálneho požiaru je prakticky vylúčené spätne odhadnúť rýchlosť prúdenia s presnosťou na 0,05 m.s-1.

Obrázok 2  Detailný pohľad na miesto vzniku skratu na krajnom vodiči v atmosfére
a) dusíka a b) kyslíka (Martinka 2012)

Obrázok 3 Detailný pohľad na miesto vzniku skratu na krajnom vodiči v dusíkovo-kyslíkovej atmosfére 
s koncentráciou kyslíka 9 obj. % pri rýchlosťou prúdenia a) 0,05 m.s-1 a b) 0,1 m.s-1 (Martinka 2012)