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交流發(fā)電機用銅線(xiàn)導電率與溫度的關(guān)系及其檢測方法 |
摘要：使用電阻法和渦流法分別對發(fā)電機的定子與轉子銅漆包線(xiàn)進(jìn)行導電率檢測，對其與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了驗證和總結。結果表明，在應用電阻法進(jìn)行導電率檢測時(shí)，應正確使用電阻率溫度系數進(jìn)行修正；在應用渦流法進(jìn)行檢測時(shí)，標塊的校準是關(guān)鍵，此外兩種方法都需要有效、可靠的等溫測試環(huán)境。
發(fā)電機中所用的銅線(xiàn)主要包括定子繞組用銅導線(xiàn)(純銅或無(wú)氧銅)和轉子繞組用銅排(銀銅或無(wú)氧銀銅)。導電率是衡量其功能特性的最為重要的指標，廠(chǎng)家在生產(chǎn)制造的過(guò)程中對這兩種物料的導電率有著(zhù)嚴格的控制，幾乎全部都要達到或超過(guò)國際退火銅標準(100%ⅠACS)的導電率值。但在實(shí)際檢測過(guò)程中，銅線(xiàn)的導電率對環(huán)境溫度是很敏感的，檢測標準中也只是按照材料大類(lèi)給出了相應的參考值，因此為了更加準確的檢測銅線(xiàn)的導電率，有必要結合相應的檢測對銅線(xiàn)導電率與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行驗證。
一、發(fā)電機銅溫標準
柴油發(fā)電機的電球內部轉子和定子銅溫一般是多少， 平均銅溫的最高允許值應當低于局部銅溫的最高允許值。根據十幾年來(lái)的經(jīng)驗，暫建議定子線(xiàn)圈平均銅溫的最高允許值為云母瀝青膠絕緣105°C；σ級絕緣120°C。發(fā)電機最高銅溫與平均銅溫的差值，與發(fā)電機的軸向長(cháng)度、通風(fēng)結構、端部線(xiàn)圈型式、槽部線(xiàn)圈與端部線(xiàn)圈的長(cháng)度比等因素有關(guān)，不同型號、不同容量的發(fā)電機，這個(gè)差值互相不同。氫冷發(fā)電機，這個(gè)差值還著(zhù)氫壓的提高而減小。因此.在使用相同絕緣材料，允許同一最高銅溫的條件下，不同型號、不同容量的發(fā)電機，定子線(xiàn)圈平均銅溫的最高允許值應該不同.才是合理的。訂出一個(gè)統一的平均銅溫允許值的標準目前還不可能。
發(fā)電機工作原理圖
二、導電率及其檢測
1、導電率
導電率ϒ是評價(jià)材料導電性能的指標，日常檢測中通常還會(huì )用到電阻率ρ(Ωmm2/m或Ωm)和電導率σ(MS/m)兩項指標。實(shí)際上，這三項指標只是材料導電性能的三種不同表示方式。檢測時(shí)只要能獲得其中一項指標，即可通過(guò)換算得出另外兩項指標。
上述三項指標中，電阻率ρ是最被熟知的一項指標，其計算公式為：
ρ=RS/L............................................ (1)
其中：R—導體電阻Ω;
S—導體的橫截面積mm2；
L—導體的長(cháng)度m。
式(1)中的三項參數均可通過(guò)直接測量獲得，因此材料的電阻率可直接由式(1)計算得出。
在電阻率ρ已知的情況下，電導率σ(MS/m)的計算公式為：σ=Ⅰ/ρ);導電率ϒ(%ⅠACS)的計算公式為：ϒ=0.017 241/ρX100。其中ρ的單位為Ωmm2/m，ρ的值取決于被測導體的材料和溫度。
通常，在導體材料確定的情況下，電阻率會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而變化。一般純金屬的電阻率會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而升高，且在溫度不太高的情況下，近似存在著(zhù)線(xiàn)性關(guān)系，因此溫度對電阻率的影響程度可以用式(2)來(lái)進(jìn)行衡量：
ρ=ρ0[Ⅰ+α(t-t0)］............................................ (2)
其中：ρ 材料的電阻率Ωmm2/m；
ρo 材料在標準溫度下的電阻率Ωmm2/m；
α——材料在標準溫度下的電阻率溫度系數(隨材料不同而不同)°C-1；
to—標準溫度°C；
t——某特定溫度°C。
式(2)中的標準溫度一般為0°C或20"Co銅線(xiàn)作為銅導體，其導電率檢測的準確度也與檢測時(shí)樣品的溫度有關(guān)，且直接影響對其性能的評判。一般純銅的電阻溫度系數為0.003 93°C-1(標準溫度：20°C)左右。
2、檢測方法
金屬導體的導電率可依據歐姆和電阻定律的相關(guān)定義，通過(guò)測量相應參數之后計算獲得，即電阻法；另外，還可使用根據電渦流原理所制造的渦流電導率儀進(jìn)行檢測，即渦流法。
（1）電阻法
電阻法依據歐姆和電阻定律，采用電橋等方式對被測樣品的單位長(cháng)度電阻進(jìn)行測量，同時(shí)借助密度計和長(cháng)度量具測算出被測樣品的橫截面積，按照公式R=ρL/S,即可計算出被測樣品的電阻率ρ 。然后根據電阻率與導電率之間的關(guān)系得到被測樣品的導電率。
電阻法檢測的優(yōu)點(diǎn)在于適用于截面較小且均勻的各類(lèi)型材，因此特別適合定子繞組所用的銅導線(xiàn)的檢測；其缺點(diǎn)是被測參數較多，過(guò)程較復雜，同時(shí)由于需要被測樣品的標定長(cháng)度不小于0.3 m，因此不適合對截面較大的銅排進(jìn)行檢測。
電阻法簡(jiǎn)易圖
（2）渦流法
渦流法是借助電渦流的原理，即當載有交變電流的線(xiàn)圈(也稱(chēng)探頭)接近導電材料表面時(shí)，由于線(xiàn)圈交變磁場(chǎng)的作用，在材料表面和近表面感應出旋渦狀電流，此電流即為渦流。材料中的渦流會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，反作用于線(xiàn)圈上，這種反作用的大小與材料表面和近表面的導電率有關(guān)，因此可利用這種關(guān)系對材料的導電率進(jìn)行檢測。
渦流法檢測的優(yōu)點(diǎn)在于過(guò)程簡(jiǎn)單、快速；但由于被測樣品表面的直徑需大于探頭直徑(通常為14 mm)的兩倍且對試樣最小厚度有一定的要求，因此不適用于對銅導線(xiàn)的檢測，而非常適合銅排的檢測。
渦流法工作原理圖
上述兩種檢測方法都會(huì )受溫度的影響。電阻法檢測中，測量單位長(cháng)度電阻和橫截面積時(shí)，溫度的高低會(huì )直接影響測量的結果。渦流法檢測中，需要用到校準樣塊，校準樣塊與被測樣品的溫度是否一致也將直接影響到檢測的結果。
三、溫度與導電率的關(guān)系
根據以往檢測的經(jīng)驗數據，按照梯度選取部分銅導線(xiàn)和銅排，分別用電阻法和渦流法進(jìn)行檢測驗證。
共選取5根銅導線(xiàn)和17根銅排試樣在工廠(chǎng)實(shí)驗室進(jìn)行驗證，工廠(chǎng)實(shí)驗室為溫度隨季節小幅波動(dòng)但較為穩定的封閉實(shí)驗室，考慮常年實(shí)際的溫度波動(dòng)范圍，驗證溫度范圍設定為10~30°C，溫度梯度按每2°C為一個(gè)梯階，為了使環(huán)境溫度相對穩定，每次測量需在實(shí)驗室溫度穩定并至少等溫1 h之后進(jìn)行。
1、電阻法檢測
根據GB/T 3048.2-2007，得到銅材的熱膨脹系數一般在1.7×10-5°C，與其電阻溫度系數0.003 93相比，低了約2個(gè)數量級，在10-30℃范圍內可直接忽略它對電阻率的影響，因此電阻法驗證中直接采用20°C時(shí)的導體面積進(jìn)行計算。
根據電阻法的驗證情況，所選取的銅導線(xiàn)導電率與溫度之間的關(guān)系。在10~30°C的溫度區間內，隨著(zhù)溫度的升高，銅導線(xiàn)的導電率隨之下降，且這種下降在該溫度范圍內與溫度具有明顯的線(xiàn)性相關(guān)性。在導電率本身差異不大的情況下，擬合得到的斜率幾乎是完全一致的。
擬合后兩者之間的線(xiàn)性關(guān)系近似為：
y=-0.41(x-20)+b............................................(3)
式中：
y——導電率%ⅠACS；
x——檢測時(shí)溫度°C；
σ——標準溫度為2CTC的導電率%ⅠACS
按式(3)電導率溫度系數為-0.41%ⅠACS /℃換算至電阻溫度系數約為0.00423，與國標給出的銅材類(lèi)的0.003 93較為接近，同時(shí)也證明溫度對導體橫截面積測量的影響是可以直接忽略的。若直接換算成單位為Ωmm2/m的電阻率的溫度系數則約為0.000 072°C-1。
一般實(shí)驗室的溫度均無(wú)法準確地控制為測試所需的標準溫度，特別是工廠(chǎng)實(shí)驗室，因此針對在工廠(chǎng)實(shí)驗室進(jìn)行檢測的純銅或無(wú)氧銅類(lèi)銅導線(xiàn)，在10~30°C范圍內有效等溫之后可直接使用式⑶中的因子-0.41，將檢測結果直接換算至標準溫度(20°C)。盡管該溫度系數略大于國家標準所給的銅材的參考值，但考慮銅導線(xiàn)的自身特性和檢驗環(huán)境，建議直接使用該修正值，同時(shí)建議等溫的時(shí)間應大于1 h，確保有效等溫。而車(chē)間現場(chǎng)環(huán)境更難控制，溫度變化較快，材料難以實(shí)現有效等溫，因此不建議在車(chē)間制造現場(chǎng)進(jìn)行檢測。
2、渦流法檢測
根據驗證情況，銅排導電率與溫度之間的關(guān)系，應用渦流法進(jìn)行檢測時(shí)，在10~30°C的范圍內被測樣品的測量值不隨溫度有明顯的變化，且在所選擇的各個(gè)測量值上具有同樣的規律。擬合發(fā)現，各趨勢線(xiàn)斜率的絕對值均小于0.02，表明在該溫度范圍內該組銅排中的最大溫度影響偏差約為0.4%ⅠACS，已低于國家標準中重復性下限為0.65%ⅠACS的要求。因此在有效等溫的情況下采用渦流法進(jìn)行檢測，溫度對檢測結果的影響是可以忽略的。
渦流法檢測導電率其實(shí)是一種比較法，用儀器對標準樣塊和被測樣品進(jìn)行比較，比較法的基礎在于被比較的對象擁有相同的狀態(tài)與環(huán)境，因此工廠(chǎng)實(shí)驗室檢測銀銅或無(wú)氧銀銅類(lèi)銅排時(shí)的關(guān)鍵在于試樣與標準樣時(shí)間應大于1 h 。另外，由于車(chē)間現場(chǎng)的溫度穩定性較差，難以實(shí)現有效的等溫，故同樣不建議在車(chē)間現場(chǎng)使用該方法進(jìn)行檢測。
四、結語(yǔ)
根據上述驗證及分析，在工廠(chǎng)實(shí)驗室對銅導線(xiàn)(純銅或無(wú)氧銅)進(jìn)行導電率檢測時(shí)，宜使用電阻法。在10-30°C的環(huán)境溫度范圍內，可直接使用驗證得到的系數-0.41%ⅠACS將檢測值修正到標準溫度20℃，前提是試樣溫度均勻且與環(huán)境溫度一致。對銅排(銀銅或無(wú)氧銀銅)進(jìn)行導電率檢測時(shí)，宜使用渦流法，在10~30°C的環(huán)境范圍內進(jìn)行有效等溫后直接檢測即可。在上述檢測環(huán)境下，兩種方法的等溫時(shí)間均應大于1h，以確保有效等溫。另外，考慮到有效等溫的重要性，不建議在車(chē)間制造現場(chǎng)進(jìn)行檢測。在被測樣品同時(shí)滿(mǎn)足兩種測量方法要求的情況下，建議優(yōu)先使用渦流法，以實(shí)現更高的檢測效率。
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