ESTUDIO METALOGRÁFICO DE LOS EFECTOS DE ARCOS ELÉCTRICOS PRIMARIOS Y SECUNDARIOS SOBRE CABLEADO DE COBRE EN EL INTERIOR DE DIFERENTES ATMÓSFERAS. APLICACIÓN A LA INVESTIGACIÓN DE INCENDIOS Y COMPARACIÓN DE RESULTADOS CON INCENDIOS REALES

Abstract

[EN] In the investigation of fires is particularly important to study electrical conductors. A detailed analysis of them provides evidence or indications regarding the cause of the sinister. In this current thesis are studied typical electrical conductors, which have been subjected to different environmental conditions, such as the temperature, the exposure time and the atmosphere, in order to simulate the most important development conditions of real fires. Under these conditions it has been simulated the occurrence of primary and secondary shortcircuits, through the application of different environmental conditions, and it has been studied the effects of both, ambient conditions and electric arcs, produced on the conductors. The studies were based, mainly on checking the occurred microstructural changes, but also a complementary examination was done, performing tests of traction, microhardness and observing the growth of oxide on the surface of the wires. Finally, by analysing electrical wiring from real fires, it has been found the application or reciprocity of the results obtained in this research with cases from real fires. The research provides a new approach to experimental development, through the control of diverse variables with trials using a furnace in which it has been able to control the atmosphere in which the conductors were affected by shortcircuits. The studies performed have shown the particular effects of gases' diffusion and supported temperature over the electrical conductors' microstructure, so as their correlation with the results of traction and microhardness tests, in which it has been observed a loss of mechanical properties. It has been tested the local effects caused by the shortcircuits in the conductors, such as the formation of a melted mass with high porosity, incorporation of remainders of the surface or grain's size growth. It wasn't particularly intense the absorption of gases as a result of the electrical arcs, but must taking into account the incorporation of gases to the material by diffusion from the atmosphere, being that one higher in the area of the shortcircuit, because of its higher temperature. The incorporation of gases or conductor's surface material in the melted mass due to a shortcircuit is particularly relevant, since depending on the sequence of atmospheres which have affected the wiring, different microstructural formations are obtained. Considering a sequence of primary shortcircuit, it is obtained a clean microstructure and tending to embrittlement in the grain's border. In the case of a sequence of a secondary shortcircuit, it can be observed the formation of eutectic microstructures of Cu-O. Thus, the sequence of events observed by studying the microstructure can exposes if a shortcircuit was caused in advance or after the fire's occurrence, revealing if the shortcircuit was primary or secondary. The different shortcircuits have been executed under controlled laboratory conditions, which in any case occurs in real fires. In these real fires mainly happen the same effects observed experimentally, although the different environmental conditions and their sequence, which take place in real fires, completely beyond the control of the laboratory, so in the analysis of the samples is essential to consider the dynamics of fire.

[ES] En la investigación de incendios cobra especial importancia el estudio de conductores eléctricos. Un análisis pormenorizado de los mismos aporta indicios o evidencias respecto a la causa del siniestro. En el presente trabajo se estudian conductores eléctricos típicos de instalaciones que han sido sometidos a diferentes condiciones ambientales tales como temperatura, tiempo de exposición y atmósfera, con el objeto de simular las condiciones más importantes de desarrollo de incendios reales. En estas condiciones se ha simulado la ocurrencia de cortocircuitos primarios y secundarios por medio de la aplicación de diferentes condiciones ambientales y se han estudiado los efectos que tanto estas condiciones como los arcos eléctricos han producido sobre los conductores. Los estudios se han basado principalmente en la comprobación de los cambios microestructurales acaecidos, si bien de forma complementaria se realizaron ensayos de tracción, microdureza y observación del crecimiento de óxido en la superficie de los cables. Finalmente, mediante el análisis de cableado eléctrico procedente de incendios reales se ha comprobado la aplicación o correlación de los resultados obtenidos en esta investigación con casos de incendios reales. La investigación realizada aporta un nuevo enfoque al desarrollo experimental por medio del control de diversas variables con ensayos en un horno en el que se ha podido controlar la atmósfera en que se veían afectados los conductores por cortocircuitos. Los estudios realizados han demostrado los particulares efectos de la difusión de gases y temperatura soportada sobre la microestructura de los conductores eléctricos, así como la correlación de estos con los resultados de los ensayos de tracción y microdureza, en los que se ha observado una merma de las propiedades mecánicas. Se ha comprobado los efectos locales que los cortocircuitos causan en los conductores, tales como la formación de una masa fundida con elevada porosidad, incorporación de restos de la superficie del conductor o el crecimiento de tamaño de grano. No se ha observado especialmente intensa la absorción de gases a consecuencia del arco eléctrico, y sí la incorporación de gases al material por difusión desde la atmósfera, siendo esta mayor en la zona del cortocircuito debido a su mayor temperatura. La incorporación de gases o material superficial del conductor en la masa fundida por un cortocircuito es particularmente relevante, ya que en función de la secuencia de atmósferas que han afectado al cableado se obtienen diferentes formaciones microestructurales. Considerando una secuencia de cortocircuito primario, se obtiene una microestructura limpia y tendente a la fragilización en borde de grano. En el caso de una secuencia de cortocircuito secundario se observa la formación de microestructuras eutécticas de Cu-O. Así, la secuencia de acontecimientos observada por medio del estudio de la microestructura puede revelar si un cortocircuito fue causado con antelación o posteriormente a la ocurrencia de un incendio, revelando si el cortocircuito fue primario o secundario. Los diferentes cortocircuitos han sido ejecutados en condiciones controladas de laboratorio, lo que en ningún caso ocurre en los incendios reales. En estos incendios reales se dan principalmente los mismos efectos observados que experimentalmente, si bien las diferentes condiciones ambientales y secuencia de ellas, que ocurren en los incendios reales, escapan completamente al control de laboratorio, por lo que en el análisis de las muestras es imprescindible considerar la dinámica del incendio.

[CA] En la investigació d'incendis és d'especial importància l'estudi de conductors elèctrics. Una anàlisi detallada dels mateixos aporta indicis o evidències respecte a la causa del sinistre. En el present treball s'estudien conductors elèctrics típics d'instal·lacions que han estat sotmesos a diferents condicions ambientals, tals com la temperatura, el temps d'exposició i l'atmosfera, amb l'objecte de simular les condicions més importants de desenvolupament d'incendis reals. En aquestes condicions s'ha simulat l'ocurrència de curtcircuits primaris i secundaris, a través de l'aplicació de diferents condicions ambientals, i s'han estudiat els efectes que tant aquestes condicions, com els arcs elèctrics, han produït sobre els conductors. Els estudis s'han basat, principalment, en la comprovació dels canvis microes-tructurals esdevinguts, si bé de forma complementària també es van realitzar assajos de tracció, microduresa i es va avaluar el creixement d'òxid en la superfície dels cables. Finalment, a través de l'anàlisi de cablejat elèctric que procedeix d'incendis reals, s'ha comprovat l'aplicació o correlació dels resultats obtinguts en aquesta investigació amb casos d'incendis reals. La recerca realitzada aporta un nou punt de vista al desenvolupament experimental, a través del control de diverses variables amb assajos en un forn en què s'ha pogut controlar l'atmosfera en què es veien afectats els conductors per curtcircuits. Els estudis realitzats han demostrat els particulars efectes de la difusió de gasos i de la temperatura suportada sobre la microestructura dels conductors elèctrics, així com la correlació d'aquests amb els resultats dels assajos de tracció i microduresa, en què s'ha observat una minva de les propietats mecàniques. S'han comprovat els efectes locals que els curtcircuits causen en els conductors, com ara la formació d'una massa fosa amb elevada porositat, la incorporació de restes de la superfície del conductor o el creixement de tamany de gra. No s'ha observat especialment intensa l'absorció de gasos a conseqüència de l'arc elèctric, sí la incorporació de gasos al material per difusió des de l'atmosfera, que és major a la zona del curtcircuit a causa de la seua major temperatura. La incorporació de gasos o material superficial del conductor en la massa fosa per un curtcircuit és particularment rellevant ja que, en funció de la seqüència d'atmosferes que han afectat el cablejat, s'obtenen diferents formacions microestructurals. Si es considera una seqüència de curtcircuit primari s'obté una microestructura neta i amb tendència a la fragilització en el límit de gra. En el cas d'una seqüència de curtcircuit secundari s'observa la formació de microestructures eutèctiques de Cu-O. Així, la seqüència d'esdeveniments observada a través de l'estudi de la microestructura pot revelar, si un curtcircuit va ser ocasionat amb anteriorment o posteriorment a l'ocurrència d'un incendi, i fer conèixer si el curtcircuit va ser primari o secundari. Els diferents curtcircuits han estat executats en condicions controlades de laboratori, cosa que en cap cas ocorre en els incendis reals. En aquests incendis reals es donen, principalment, els mateixos efectes observats que experimentalment, si bé les diferents condicions ambientals i la seqüència d'aquestes, que ocorren en els incendis reals, escapen completament al control de laboratori, de manera que en l'anàlisi de les mostres és imprescindible considerar la dinàmica de l'incendi.