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交流发电机用铜线导电率与温度的关系及其检测方法 |
摘要：使用电阻法和涡流法分别对发电机的定子与转子铜漆包线进行导电率检测，对其与温度之间的关系进行了验证和总结。结果表明，在应用电阻法进行导电率检测时，应正确使用电阻率温度系数进行修正；在应用涡流法进行检测时，标块的校准是关键，此外两种方法都需要有效、可靠的等温测试环境。
发电机中所用的铜线主要包括定子绕组用铜导线(纯铜或无氧铜)和转子绕组用铜排(银铜或无氧银铜)。导电率是衡量其功能特性的最为重要的指标，厂家在生产制造的过程中对这两种物料的导电率有着严格的控制，几乎全部都要达到或超过国际退火铜标准(100%ⅠACS)的导电率值。但在实际检测过程中，铜线的导电率对环境温度是很敏感的，检测标准中也只是按照材料大类给出了相应的参考值，因此为了更加准确的检测铜线的导电率，有必要结合相应的检测对铜线导电率与温度之间的关系进行验证。
一、发电机铜温标准
柴油发电机的电球内部转子和定子铜温一般是多少， 平均铜温的最高允许值应当低于局部铜温的最高允许值。根据十几年来的经验，暂建议定子线圈平均铜温的最高允许值为云母沥青胶绝缘105°C；σ级绝缘120°C。发电机最高铜温与平均铜温的差值，与发电机的轴向长度、通风结构、端部线圈型式、槽部线圈与端部线圈的长度比等因素有关，不同型号、不同容量的发电机，这个差值互相不同。氢冷发电机，这个差值还着氢压的提高而减小。因此.在使用相同绝缘材料，允许同一最高铜温的条件下，不同型号、不同容量的发电机，定子线圈平均铜温的最高允许值应该不同.才是合理的。订出一个统一的平均铜温允许值的标准目前还不可能。
发电机工作原理图
二、导电率及其检测
1、导电率
导电率ϒ是评价材料导电性能的指标，日常检测中通常还会用到电阻率ρ(Ωmm2/m或Ωm)和电导率σ(MS/m)两项指标。实际上，这三项指标只是材料导电性能的三种不同表示方式。检测时只要能获得其中一项指标，即可通过换算得出另外两项指标。
上述三项指标中，电阻率ρ是最被熟知的一项指标，其计算公式为：
ρ=RS/L............................................ (1)
其中：R—导体电阻Ω;
S—导体的横截面积mm2；
L—导体的长度m。
式(1)中的三项参数均可通过直接测量获得，因此材料的电阻率可直接由式(1)计算得出。
在电阻率ρ已知的情况下，电导率σ(MS/m)的计算公式为：σ=Ⅰ/ρ);导电率ϒ(%ⅠACS)的计算公式为：ϒ=0.017 241/ρX100。其中ρ的单位为Ωmm2/m，ρ的值取决于被测导体的材料和温度。
通常，在导体材料确定的情况下，电阻率会随着温度的变化而变化。一般纯金属的电阻率会随着温度的升高而升高，且在温度不太高的情况下，近似存在着线性关系，因此温度对电阻率的影响程度可以用式(2)来进行衡量：
ρ=ρ0[Ⅰ+α(t-t0)］............................................ (2)
其中：ρ 材料的电阻率Ωmm2/m；
ρo 材料在标准温度下的电阻率Ωmm2/m；
α——材料在标准温度下的电阻率温度系数(随材料不同而不同)°C-1；
to—标准温度°C；
t——某特定温度°C。
式(2)中的标准温度一般为0°C或20"Co铜线作为铜导体，其导电率检测的准确度也与检测时样品的温度有关，且直接影响对其性能的评判。一般纯铜的电阻温度系数为0.003 93°C-1(标准温度：20°C)左右。
2、检测方法
金属导体的导电率可依据欧姆和电阻定律的相关定义，通过测量相应参数之后计算获得，即电阻法；另外，还可使用根据电涡流原理所制造的涡流电导率仪进行检测，即涡流法。
（1）电阻法
电阻法依据欧姆和电阻定律，采用电桥等方式对被测样品的单位长度电阻进行测量，同时借助密度计和长度量具测算出被测样品的横截面积，按照公式R=ρL/S,即可计算出被测样品的电阻率ρ 。然后根据电阻率与导电率之间的关系得到被测样品的导电率。
电阻法检测的优点在于适用于截面较小且均匀的各类型材，因此特别适合定子绕组所用的铜导线的检测；其缺点是被测参数较多，过程较复杂，同时由于需要被测样品的标定长度不小于0.3 m，因此不适合对截面较大的铜排进行检测。
电阻法简易图
（2）涡流法
涡流法是借助电涡流的原理，即当载有交变电流的线圈(也称探头)接近导电材料表面时，由于线圈交变磁场的作用，在材料表面和近表面感应出旋涡状电流，此电流即为涡流。材料中的涡流会产生磁场，反作用于线圈上，这种反作用的大小与材料表面和近表面的导电率有关，因此可利用这种关系对材料的导电率进行检测。
涡流法检测的优点在于过程简单、快速；但由于被测样品表面的直径需大于探头直径(通常为14 mm)的两倍且对试样最小厚度有一定的要求，因此不适用于对铜导线的检测，而非常适合铜排的检测。
涡流法工作原理图
上述两种检测方法都会受温度的影响。电阻法检测中，测量单位长度电阻和横截面积时，温度的高低会直接影响测量的结果。涡流法检测中，需要用到校准样块，校准样块与被测样品的温度是否一致也将直接影响到检测的结果。
三、温度与导电率的关系
根据以往检测的经验数据，按照梯度选取部分铜导线和铜排，分别用电阻法和涡流法进行检测验证。
共选取5根铜导线和17根铜排试样在工厂实验室进行验证，工厂实验室为温度随季节小幅波动但较为稳定的封闭实验室，考虑常年实际的温度波动范围，验证温度范围设定为10~30°C，温度梯度按每2°C为一个梯阶，为了使环境温度相对稳定，每次测量需在实验室温度稳定并至少等温1 h之后进行。
1、电阻法检测
根据GB/T 3048.2-2007，得到铜材的热膨胀系数一般在1.7×10-5°C，与其电阻温度系数0.003 93相比，低了约2个数量级，在10-30℃范围内可直接忽略它对电阻率的影响，因此电阻法验证中直接采用20°C时的导体面积进行计算。
根据电阻法的验证情况，所选取的铜导线导电率与温度之间的关系。在10~30°C的温度区间内，随着温度的升高，铜导线的导电率随之下降，且这种下降在该温度范围内与温度具有明显的线性相关性。在导电率本身差异不大的情况下，拟合得到的斜率几乎是完全一致的。
拟合后两者之间的线性关系近似为：
y=-0.41(x-20)+b............................................(3)
式中：
y——导电率%ⅠACS；
x——检测时温度°C；
σ——标准温度为2CTC的导电率%ⅠACS
按式(3)电导率温度系数为-0.41%ⅠACS /℃换算至电阻温度系数约为0.00423，与国标给出的铜材类的0.003 93较为接近，同时也证明温度对导体横截面积测量的影响是可以直接忽略的。若直接换算成单位为Ωmm2/m的电阻率的温度系数则约为0.000 072°C-1。
一般实验室的温度均无法准确地控制为测试所需的标准温度，特别是工厂实验室，因此针对在工厂实验室进行检测的纯铜或无氧铜类铜导线，在10~30°C范围内有效等温之后可直接使用式⑶中的因子-0.41，将检测结果直接换算至标准温度(20°C)。尽管该温度系数略大于国家标准所给的铜材的参考值，但考虑铜导线的自身特性和检验环境，建议直接使用该修正值，同时建议等温的时间应大于1 h，确保有效等温。而车间现场环境更难控制，温度变化较快，材料难以实现有效等温，因此不建议在车间制造现场进行检测。
2、涡流法检测
根据验证情况，铜排导电率与温度之间的关系，应用涡流法进行检测时，在10~30°C的范围内被测样品的测量值不随温度有明显的变化，且在所选择的各个测量值上具有同样的规律。拟合发现，各趋势线斜率的绝对值均小于0.02，表明在该温度范围内该组铜排中的最大温度影响偏差约为0.4%ⅠACS，已低于国家标准中重复性下限为0.65%ⅠACS的要求。因此在有效等温的情况下采用涡流法进行检测，温度对检测结果的影响是可以忽略的。
涡流法检测导电率其实是一种比较法，用仪器对标准样块和被测样品进行比较，比较法的基础在于被比较的对象拥有相同的状态与环境，因此工厂实验室检测银铜或无氧银铜类铜排时的关键在于试样与标准样时间应大于1 h 。另外，由于车间现场的温度稳定性较差，难以实现有效的等温，故同样不建议在车间现场使用该方法进行检测。
四、结语
根据上述验证及分析，在工厂实验室对铜导线(纯铜或无氧铜)进行导电率检测时，宜使用电阻法。在10-30°C的环境温度范围内，可直接使用验证得到的系数-0.41%ⅠACS将检测值修正到标准温度20℃，前提是试样温度均匀且与环境温度一致。对铜排(银铜或无氧银铜)进行导电率检测时，宜使用涡流法，在10~30°C的环境范围内进行有效等温后直接检测即可。在上述检测环境下，两种方法的等温时间均应大于1h，以确保有效等温。另外，考虑到有效等温的重要性，不建议在车间制造现场进行检测。在被测样品同时满足两种测量方法要求的情况下，建议优先使用涡流法，以实现更高的检测效率。
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