火災現場鐵磁體剩磁分布與變化規律研究

鄧 亮，陳兵兵

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

剩磁法是電氣火災與雷擊火災調查中十分重要的鑒定方法，其原理是當線路發生短路或有雷電經過時，會在異常強的電流周圍產生強大的磁場，處于磁場中的鐵磁體受到磁化作用，磁場逸去后鐵磁體仍保持一定的磁性[1-3]。當調查人員懷疑火災是由現場中導線或雷電引起而又無熔痕可作依據時，可以對導線及雷電周圍鐵磁體進行剩磁檢測，依據剩磁的有無和大小來判定火災現場中是否出現過短路及雷電現象。

我國《電氣火災原因技術鑒定方法》第2部分剩磁法(GB 16840.2—1997)對測量火場中導線及雷電周圍鐵磁體剩磁的步驟、方法、判定標準進行了規定。然而，調查實踐中剩磁法的使用頻率不高，一個重要原因就是火場中測量的剩磁值隨著部位的移動出現突然增大或變小的變化，調查人員難以掌握其規律?，F行標準也僅規范了剩磁值判定的大小范圍，并未指明其是如何分布變化的，因此，調查人員無法依此選取合適的測量點獲得最有效的剩磁值，進而做出判定。本文通過模擬導線短路產生的磁場，研究了處于導線磁場中被磁化的鋼制鋸條剩磁的分布和變化規律，為現場勘驗中如何準確選取測量位置、獲取可靠的剩磁值提供試驗依據。

1 實驗部分

1.1 試驗材料與設備

鋼制鋸條(300 mm×10.7 mm×1.0 mm)作為試驗鐵磁體，電焊機與4 mm2銅導線模擬閉合回路，H-2000-2型特斯拉計(量程0～100 mT，精度為±2.5%，使用溫度為5～40 ℃)用于測量試驗中鐵磁體的剩磁值。

1.2 試驗設計

將電焊機與銅導線相連，構成閉合回路，調整電焊機電壓，改變通過導線的電流，使導線電流值達到300 A，通過短時開關電焊機電源，模擬導線短路。在同一水平面上，將鋼制鋸條與導線分別垂直交叉、平行放置，然后在磁場中磁化，具體設計如下：

1.2.1 垂直交叉模型。在同一水平面上，將鋼制鋸條與銅導線垂直交叉放置，鋼制鋸條中心線恰好與銅導線重合(設定為O組)，然后使鋼制鋸條在磁場中磁化。選取新的一組鋼制鋸條，不改變鋼制鋸條與銅導線垂直交叉位置關系，分別向左、向右移動鋼制鋸條中心線距銅導線各12 cm(a與a′組)、13 cm(b與b′組)、14 cm(c與c′組)、14.5 cm(d與d′組)、16 cm(e與e′組)，然后使鋼制鋸條在磁場中磁化，如圖1所示。

圖1 鋼制鋸條與銅導線垂直交叉放置

1.2.2 平行放置模型。在同一水平面上，分別將鋼制鋸條平行放置在距離導線上、下各1 cm(x與x′組)、2 cm(y與y′組)的位置，然后使鋼制鋸條在磁場中磁化，如圖2所示。

圖2 鋼制鋸條與銅導線平行放置

1.3 試驗步驟

試驗時，先調整電焊機電壓，使通過銅導線的電流值預先達到試驗設定的300 A。按照試驗設計放置好鋼制鋸條后，接通電焊機電源，讓電流通過銅導線，4 s后斷開電源，模擬鋼制鋸條在短路電流為300 A時，被導線周圍產生的磁場磁化。磁化后靜置30 min，用特斯拉計測量鋼制鋸條平滑鋸身一側各點處的剩磁值。

2 試驗結果與分析

2.1 垂直交叉位置鋼制鋸條的剩磁分布規律

除e與e′中鋼制鋸條剩磁值均為0 mT外，其余五組都測得剩磁值。以O組為例，鋼制鋸條剩磁從鋸條中心線與銅導線交叉處開始，至右側1.2 cm與左側1.5 cm時，分別由0 mT達到剩磁最大值0.75 mT與-0.65 mT，然后逐步降低至0 mT。其中，以鋼制鋸條中心線為分界線，左右兩側鋸條剩磁大小及分布基本對稱，僅方向相反。說明鋼制鋸條對稱放置時，導線周圍的磁場對兩側鋸條的磁化效果基本是一樣的，但受磁場強度和方向的影響，在電流為300 A時，產生的磁場只能對以導線為圓心、半徑約為6.0 cm范圍內的鐵磁體產生較為明顯的磁化。磁場逸去后鋼制鋸條仍保持一定磁性，且鋸條兩側剩磁大小及分布左右基本對稱，僅方向相反，如圖3所示。

圖3 鋼制鋸條中心線與銅導線

需要注意的是，依據畢奧-薩伐爾定律，穩恒傳導電流在空間產生的磁感應強度與電流成正比，與導線距離成反比，因此，在電流大小確定后，距離導線越近，產生的磁場越強，鐵磁體被磁化后保留的剩磁也應該越多。但試驗表明，鋼制鋸條最大剩磁值并不在距離導線最近處，而是距離導線左右側1.0～1.5 cm處，顯然與磁場強度強弱分布規律不一致。筆者認為，這一現象與畢奧-薩伐爾定律并不矛盾，剩磁的分布和大小變化不僅與磁場強弱有關，還與方向關系緊密。一方面，鋼制鋸條在磁場中被磁化，距離導線越近，磁場強度越強，磁化效果越強，剩磁也應該越大；但另一方面，鋼制鋸條作為一個實體物，某一區域的剩磁還與此處鋸條內部磁疇受若干不同方向外磁場作用后，磁矩最終趨于某一方向時的大小有關[4-6]。本試驗中，放置在以導線為圓心的同心圓磁場的鋼制鋸條，越靠近同心圓磁場中心，磁場強度雖然增加，但方向的一致性變差，導致此處部分剩磁互相抵消，剩磁值反而降低，這也是剩磁曲線先升后降的原因。

然而，在實際火場中，鐵磁體并非總是恰好被導線對稱分割。在a與a′組中，當向左移動鋼制鋸條至右端距離導線3.0 cm時(a組)，右側鋼制鋸條剩磁最高值出現在右側端部，達到了1.1 mT，高于O組最高值。而左側剩磁值則從交叉點開始，至左側1.5 cm處達到剩磁最大值-0.8 mT，然后逐步降低至0 mT。在a′組中，其剩磁分布規律與a組基本相同，但由于鋼制鋸條所處位置恰好與a組相反，剩磁曲線與a組呈旋轉對稱，如圖4所示。

圖4 a與a′組剩磁分布規律

對比O組，當左右移動鋼制鋸條一端至導線附近時，由于導線兩側鋸條長度出現明顯差距，兩側剩磁曲線也不再對稱，特別是較短一側鋸條的剩磁值，由于空間的限制，出現了剩磁疊加，至端部達到最高值的現象。說明磁場強度一定時，如果鐵磁體長度足夠，剩磁值依然呈現由交叉點開始逐漸遞增，至最高值后又降低的規律。但如果鐵磁體長度小于磁場磁化范圍時，與另一側反方向等量的剩磁并不會逃逸出去，而是被擠壓在這一側的鐵磁體內，導致剩磁值疊加，出現了剩磁數值增高的現象。

在a與a′組和其余三組(b與b′、c與c′、d與d′)的對比中，以鋼制鋸條右側剩磁值為例，在a、b、c、d組中，由于鋼制鋸條右端距離導線較近，都出現了剩磁值疊加，端部剩磁值為最高值的現象。除d外，c組右側鋼制鋸條最短時(1 cm)，端部剩磁最高值最大，a組右側鋼制鋸條最長時(3 cm)，端部剩磁最高值最小。在a′、b′、c′、d′組中，雖然剩磁最高值都出現在1.0 cm處，但剩磁最高值大小并不相同。a′組右側鋼制鋸條最短(12 cm)，但剩磁最高值最大，d′組右側鋼制鋸條最長(14.5 cm)，但剩磁最高值最小。說明鐵磁體長度對剩磁最高值是有影響的，鐵磁體一端越短，剩磁值疊加效應加劇，端部剩磁最高值越大。鐵磁體一端越長，剩磁被稀釋效果越明顯，剩磁最高值越小，如圖5所示。

而d組剩磁值降低，筆者認為依然與靠近同心圓磁場中心，磁場方向的一致性變差，部分剩磁互相抵消有關。從現有數據來看，當通過電流為300 A時，以導線為圓心、半徑為1.0～1.5 cm的同心圓磁場中，對鋼制鋸條而言都會出現不同程度的剩磁抵消，剩磁值降低的情況。a′、b′、c′、d′中剩磁最高值都出現在1.0 cm處，之后至交叉點剩磁值逐漸下降，也印證了這種情況。

圖5 鋼制鋸條右側剩磁值分布比較

2.2 平行位置鋼制鋸條的剩磁分布規律

當鋼制鋸條與導線在同一水平面上平行放置時，無論是x與x′，還是y與y′，鋼制鋸條剩磁值均為0 mT。聯系鋼制鋸條與導線垂直交叉放置試驗中，e與e′組中剩磁值也為0 mT的情況，筆者認為兩者存在內在的聯系。在e與e′組剩磁試驗中，準確地說鋼制鋸條雖然垂直于導線，但實際并未交叉，鋼制鋸條始終處于導線磁場的一側。而鋼制鋸條與導線平行放置時，鋼制鋸條也始終在導線磁場的一側，此時，鋼制鋸條的兩端在磁場中的磁化方向同時保持一致，未出現與其方向相反的其他磁場。而所有被磁化后能夠保持剩磁的鐵磁體中，被磁化時鐵磁體兩端始終受到兩個方向相反磁場的影響，當磁場逸去后，鐵磁體的剩磁場也一定表現為兩端磁場方向相反，磁場強度總體相等的分布規律[7-8]。因此，如果鋼制鋸條始終在導線的同一側，鋸條每部分在磁場中的磁化方向相同，一旦導線磁場逸去，由于沒有反方向的磁場牽引，單極方向的磁場無法持續保持，剩磁將無法保留。這一試驗結果也說明，在火災現場如果測量到靠近通電導線的某一鐵磁體剩磁值為零，并不能就此判定該導線未通過大電流，還要考慮該鐵磁體是否存在上述情況，否則只會貽害調查工作。

3 結論

3.1 鐵磁體與導線垂直交叉時，通過電流導線周圍的磁場會對一定范圍的鐵磁體產生磁化現象，鐵磁體兩側的剩磁強度總體相等，但方向相反。

3.2 越靠近同心圓磁場中心，磁場強度雖然增加，但方向的一致性變差，鐵磁體此處的部分剩磁互相抵消，剩磁值反而降低。此時，在鐵磁體足夠長的情況下，鐵磁體剩磁呈現逐漸增高至最高值，再緩慢降低的分布規律。如果鐵磁體長度小于磁場的磁化范圍，剩磁會逐漸增加，至端部達到最大值。

3.3 鐵磁體與導線垂直交叉時，鐵磁體一端越短，剩磁值疊加效果越明顯，剩磁最高值越大。鐵磁體一端越長，剩磁被稀釋效果越明顯，剩磁最高值越小。

3.4 如果鐵磁體始終在導線的同一側，鐵磁體每部分在磁場中的磁化方向相同，單一方向的磁場無法持續保留，導致無剩磁殘留。