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交流發電機用銅線導電率與溫度的關系及其檢測方法 |
摘要：使用電阻法和渦流法分別對發電機的定子與轉子銅漆包線進行導電率檢測，對其與溫度之間的關系進行了驗證和總結。結果表明，在應用電阻法進行導電率檢測時，應正確使用電阻率溫度系數進行修正；在應用渦流法進行檢測時，標塊的校準是關鍵，此外兩種方法都需要有效、可靠的等溫測試環境。
發電機中所用的銅線主要包括定子繞組用銅導線(純銅或無氧銅)和轉子繞組用銅排(銀銅或無氧銀銅)。導電率是衡量其功能特性的最為重要的指標，廠家在生產制造的過程中對這兩種物料的導電率有著嚴格的控制，幾乎全部都要達到或超過國際退火銅標準(100%ⅠACS)的導電率值。但在實際檢測過程中，銅線的導電率對環境溫度是很敏感的，檢測標準中也只是按照材料大類給出了相應的參考值，因此為了更加準確的檢測銅線的導電率，有必要結合相應的檢測對銅線導電率與溫度之間的關系進行驗證。
一、發電機銅溫標準
柴油發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。根據十幾年來的經驗，暫建議定子線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。發電機最高銅溫與平均銅溫的差值，與發電機的軸向長度、通風結構、端部線圈型式、槽部線圈與端部線圈的長度比等因素有關，不同型號、不同容量的發電機，這個差值互相不同。氫冷發電機，這個差值還著氫壓的提高而減小。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、不同容量的發電機，定子線圈平均銅溫的最高允許值應該不同.才是合理的。訂出一個統一的平均銅溫允許值的標準目前還不可能。
發電機工作原理圖
二、導電率及其檢測
1、導電率
導電率ϒ是評價材料導電性能的指標，日常檢測中通常還會用到電阻率ρ(Ωmm2/m或Ωm)和電導率σ(MS/m)兩項指標。實際上，這三項指標只是材料導電性能的三種不同表示方式。檢測時只要能獲得其中一項指標，即可通過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—導體的長度m。
式(1)中的三項參數均可通過直接測量獲得，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，電阻率會隨著溫度的變化而變化。一般純金屬的電阻率會隨著溫度的升高而升高，且在溫度不太高的情況下，近似存在著線性關系，因此溫度對電阻率的影響程度可以用式(2)來進行衡量：
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銅線作為銅導體，其導電率檢測的準確度也與檢測時樣品的溫度有關，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定義，通過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度電阻進行測量，同時借助密度計和長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系得到被測樣品的導電率。
電阻法檢測的優點在于適用于截面較小且均勻的各類型材，因此特別適合定子繞組所用的銅導線的檢測；其缺點是被測參數較多，過程較復雜，同時由于需要被測樣品的標定長度不小于0.3 m，因此不適合對截面較大的銅排進行檢測。
電阻法簡易圖
（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圈(也稱探頭)接近導電材料表面時，由于線圈交變磁場的作用，在材料表面和近表面感應出旋渦狀電流，此電流即為渦流。材料中的渦流會產生磁場，反作用于線圈上，這種反作用的大小與材料表面和近表面的導電率有關，因此可利用這種關系對材料的導電率進行檢測。
渦流法檢測的優點在于過程簡單、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受溫度的影響。電阻法檢測中，測量單位長度電阻和橫截面積時，溫度的高低會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、溫度與導電率的關系
根據以往檢測的經驗數據，按照梯度選取部分銅導線和銅排，分別用電阻法和渦流法進行檢測驗證。
共選取5根銅導線和17根銅排試樣在工廠實驗室進行驗證，工廠實驗室為溫度隨季節小幅波動但較為穩定的封閉實驗室，考慮常年實際的溫度波動范圍，驗證溫度范圍設定為10~30°C，溫度梯度按每2°C為一個梯階，為了使環境溫度相對穩定，每次測量需在實驗室溫度穩定并至少等溫1 h之后進行。
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時的導體面積進行計算。
根據電阻法的驗證情況，所選取的銅導線導電率與溫度之間的關系。在10~30°C的溫度區間內，隨著溫度的升高，銅導線的導電率隨之下降，且這種下降在該溫度范圍內與溫度具有明顯的線性相關性。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性關系近似為：
y=-0.41(x-20)+b............................................(3)
式中：
y——導電率%ⅠACS；
x——檢測時溫度°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的0.003 93較為接近，同時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。
一般實驗室的溫度均無法準確地控制為測試所需的標準溫度，特別是工廠實驗室，因此針對在工廠實驗室進行檢測的純銅或無氧銅類銅導線，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，但考慮銅導線的自身特性和檢驗環境，建議直接使用該修正值，同時建議等溫的時間應大于1 h，確保有效等溫。而車間現場環境更難控制，溫度變化較快，材料難以實現有效等溫，因此不建議在車間制造現場進行檢測。
2、渦流法檢測
根據驗證情況，銅排導電率與溫度之間的關系，應用渦流法進行檢測時，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，且在所選擇的各個測量值上具有同樣的規律。擬合發現，各趨勢線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是一種比較法，用儀器對標準樣塊和被測樣品進行比較，比較法的基礎在于被比較的對象擁有相同的狀態與環境，因此工廠實驗室檢測銀銅或無氧銀銅類銅排時的關鍵在于試樣與標準樣時間應大于1 h 。另外，由于車間現場的溫度穩定性較差，難以實現有效的等溫，故同樣不建議在車間現場使用該方法進行檢測。
四、結語
根據上述驗證及分析，在工廠實驗室對銅導線(純銅或無氧銅)進行導電率檢測時，宜使用電阻法。在10-30°C的環境溫度范圍內，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境溫度一致。對銅排(銀銅或無氧銀銅)進行導電率檢測時，宜使用渦流法，在10~30°C的環境范圍內進行有效等溫后直接檢測即可。在上述檢測環境下，兩種方法的等溫時間均應大于1h，以確保有效等溫。另外，考慮到有效等溫的重要性，不建議在車間制造現場進行檢測。在被測樣品同時滿足兩種測量方法要求的情況下，建議優先使用渦流法，以實現更高的檢測效率。
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