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交流發(fā)電機(jī)用銅線導(dǎo)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(jī)的定子與轉(zhuǎn)子銅漆包線進(jìn)行導(dǎo)電率檢測，對其與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了驗(yàn)證和總結(jié)。結(jié)果表明，在應(yīng)用電阻法進(jìn)行導(dǎo)電率檢測時(shí)，應(yīng)正確使用電阻率溫度系數(shù)進(jìn)行修正；在應(yīng)用渦流法進(jìn)行檢測時(shí)，標(biāo)塊的校準(zhǔn)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(jī)中所用的銅線主要包括定子繞組用銅導(dǎo)線(純銅或無氧銅)和轉(zhuǎn)子繞組用銅排(銀銅或無氧銀銅)。導(dǎo)電率是衡量其功能特性的最為重要的指標(biāo)，廠家在生產(chǎn)制造的過程中對這兩種物料的導(dǎo)電率有著嚴(yán)格的控制，幾乎全部都要達(dá)到或超過國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)(100%ⅠACS)的導(dǎo)電率值。但在實(shí)際檢測過程中，銅線的導(dǎo)電率對環(huán)境溫度是很敏感的，檢測標(biāo)準(zhǔn)中也只是按照材料大類給出了相應(yīng)的參考值，因此為了更加準(zhǔn)確的檢測銅線的導(dǎo)電率，有必要結(jié)合相應(yīng)的檢測對銅線導(dǎo)電率與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。
一、發(fā)電機(jī)銅溫標(biāo)準(zhǔn)
柴油發(fā)電機(jī)的電球內(nèi)部轉(zhuǎn)子和定子銅溫一般是多少， 平均銅溫的最高允許值應(yīng)當(dāng)?shù)陀诰植裤~溫的最高允許值。根據(jù)十幾年來的經(jīng)驗(yàn)，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(fā)電機(jī)最高銅溫與平均銅溫的差值，與發(fā)電機(jī)的軸向長度、通風(fēng)結(jié)構(gòu)、端部線圈型式、槽部線圈與端部線圈的長度比等因素有關(guān)，不同型號、不同容量的發(fā)電機(jī)，這個(gè)差值互相不同。氫冷發(fā)電機(jī)，這個(gè)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(fā)電機(jī)，定子線圈平均銅溫的最高允許值應(yīng)該不同.才是合理的。訂出一個(gè)統(tǒng)一的平均銅溫允許值的標(biāo)準(zhǔn)目前還不可能。
發(fā)電機(jī)工作原理圖
二、導(dǎo)電率及其檢測
1、導(dǎo)電率
導(dǎo)電率ϒ是評價(jià)材料導(dǎo)電性能的指標(biāo)，日常檢測中通常還會用到電阻率ρ(Ωmm2/m或Ωm)和電導(dǎo)率σ(MS/m)兩項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)際上，這三項(xiàng)指標(biāo)只是材料導(dǎo)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(xiàng)指標(biāo)，即可通過換算得出另外兩項(xiàng)指標(biāo)。
上述三項(xiàng)指標(biāo)中，電阻率ρ是最被熟知的一項(xiàng)指標(biāo)，其計(jì)算公式為：
ρ=RS/L............................................ (1)
其中：R—導(dǎo)體電阻Ω;
S—導(dǎo)體的橫截面積mm2；
L—導(dǎo)體的長度m。
式(1)中的三項(xiàng)參數(shù)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(jì)算得出。
在電阻率ρ已知的情況下，電導(dǎo)率σ(MS/m)的計(jì)算公式為：σ=Ⅰ/ρ);導(dǎo)電率ϒ(%ⅠACS)的計(jì)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(dǎo)體的材料和溫度。
通常，在導(dǎo)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(guān)系，因此溫度對電阻率的影響程度可以用式(2)來進(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(biāo)準(zhǔn)溫度下的電阻率Ωmm2/m；
α——材料在標(biāo)準(zhǔn)溫度下的電阻率溫度系數(shù)(隨材料不同而不同)°C-1；
to—標(biāo)準(zhǔn)溫度°C；
t——某特定溫度°C。
式(2)中的標(biāo)準(zhǔn)溫度一般為0°C或20"Co銅線作為銅導(dǎo)體，其導(dǎo)電率檢測的準(zhǔn)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(shù)為0.003 93°C-1(標(biāo)準(zhǔn)溫度：20°C)左右。
2、檢測方法
金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電率可依據(jù)歐姆和電阻定律的相關(guān)定義，通過測量相應(yīng)參數(shù)之后計(jì)算獲得，即電阻法；另外，還可使用根據(jù)電渦流原理所制造的渦流電導(dǎo)率儀進(jìn)行檢測，即渦流法。
（1）電阻法
電阻法依據(jù)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(jìn)行測量，同時(shí)借助密度計(jì)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(jì)算出被測樣品的電阻率ρ 。然后根據(jù)電阻率與導(dǎo)電率之間的關(guān)系得到被測樣品的導(dǎo)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型材，因此特別適合定子繞組所用的銅導(dǎo)線的檢測；其缺點(diǎn)是被測參數(shù)較多，過程較復(fù)雜，同時(shí)由于需要被測樣品的標(biāo)定長度不小于0.3 m，因此不適合對截面較大的銅排進(jìn)行檢測。
電阻法簡易圖
（2）渦流法
渦流法是借助電渦流的原理，即當(dāng)載有交變電流的線圈(也稱探頭)接近導(dǎo)電材料表面時(shí)，由于線圈交變磁場的作用，在材料表面和近表面感應(yīng)出旋渦狀電流，此電流即為渦流。材料中的渦流會產(chǎn)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(dǎo)電率有關(guān)，因此可利用這種關(guān)系對材料的導(dǎo)電率進(jìn)行檢測。
渦流法檢測的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)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(shí)，溫度的高低會直接影響測量的結(jié)果。渦流法檢測中，需要用到校準(zhǔn)樣塊，校準(zhǔn)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(jié)果。
三、溫度與導(dǎo)電率的關(guān)系
根據(jù)以往檢測的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照梯度選取部分銅導(dǎo)線和銅排，分別用電阻法和渦流法進(jìn)行檢測驗(yàn)證。
共選取5根銅導(dǎo)線和17根銅排試樣在工廠實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證，工廠實(shí)驗(yàn)室為溫度隨季節(jié)小幅波動但較為穩(wěn)定的封閉實(shí)驗(yàn)室，考慮常年實(shí)際的溫度波動范圍，驗(yàn)證溫度范圍設(shè)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(wěn)定，每次測量需在實(shí)驗(yàn)室溫度穩(wěn)定并至少等溫1 h之后進(jìn)行。
1、電阻法檢測
根據(jù)GB/T 3048.2-2007，得到銅材的熱膨脹系數(shù)一般在1.7×10-5°C，與其電阻溫度系數(shù)0.003 93相比，低了約2個(gè)數(shù)量級，在10-30℃范圍內(nèi)可直接忽略它對電阻率的影響，因此電阻法驗(yàn)證中直接采用20°C時(shí)的導(dǎo)體面積進(jìn)行計(jì)算。
根據(jù)電阻法的驗(yàn)證情況，所選取的銅導(dǎo)線導(dǎo)電率與溫度之間的關(guān)系。在10~30°C的溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的升高，銅導(dǎo)線的導(dǎo)電率隨之下降，且這種下降在該溫度范圍內(nèi)與溫度具有明顯的線性相關(guān)性。在導(dǎo)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(guān)系近似為：
y=-0.41(x-20)+b............................................(3)
式中：
y——導(dǎo)電率%ⅠACS；
x——檢測時(shí)溫度°C；
σ——標(biāo)準(zhǔn)溫度為2CTC的導(dǎo)電率%ⅠACS
按式(3)電導(dǎo)率溫度系數(shù)為-0.41%ⅠACS /℃換算至電阻溫度系數(shù)約為0.00423，與國標(biāo)給出的銅材類的0.003 93較為接近，同時(shí)也證明溫度對導(dǎo)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(shù)則約為0.000 072°C-1。
一般實(shí)驗(yàn)室的溫度均無法準(zhǔn)確地控制為測試所需的標(biāo)準(zhǔn)溫度，特別是工廠實(shí)驗(yàn)室，因此針對在工廠實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測的純銅或無氧銅類銅導(dǎo)線，在10~30°C范圍內(nèi)有效等溫之后可直接使用式⑶中的因子-0.41，將檢測結(jié)果直接換算至標(biāo)準(zhǔn)溫度(20°C)。盡管該溫度系數(shù)略大于國家標(biāo)準(zhǔn)所給的銅材的參考值，但考慮銅導(dǎo)線的自身特性和檢驗(yàn)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(yīng)大于1 h，確保有效等溫。而車間現(xiàn)場環(huán)境更難控制，溫度變化較快，材料難以實(shí)現(xiàn)有效等溫，因此不建議在車間制造現(xiàn)場進(jìn)行檢測。
2、渦流法檢測
根據(jù)驗(yàn)證情況，銅排導(dǎo)電率與溫度之間的關(guān)系，應(yīng)用渦流法進(jìn)行檢測時(shí)，在10~30°C的范圍內(nèi)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(guī)律。擬合發(fā)現(xiàn)，各趨勢線斜率的絕對值均小于0.02，表明在該溫度范圍內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)中重復(fù)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(jié)果的影響是可以忽略的。
渦流法檢測導(dǎo)電率其實(shí)是一種比較法，用儀器對標(biāo)準(zhǔn)樣塊和被測樣品進(jìn)行比較，比較法的基礎(chǔ)在于被比較的對象擁有相同的狀態(tài)與環(huán)境，因此工廠實(shí)驗(yàn)室檢測銀銅或無氧銀銅類銅排時(shí)的關(guān)鍵在于試樣與標(biāo)準(zhǔn)樣時(shí)間應(yīng)大于1 h 。另外，由于車間現(xiàn)場的溫度穩(wěn)定性較差，難以實(shí)現(xiàn)有效的等溫，故同樣不建議在車間現(xiàn)場使用該方法進(jìn)行檢測。
四、結(jié)語
根據(jù)上述驗(yàn)證及分析，在工廠實(shí)驗(yàn)室對銅導(dǎo)線(純銅或無氧銅)進(jìn)行導(dǎo)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(nèi)，可直接使用驗(yàn)證得到的系數(shù)-0.41%ⅠACS將檢測值修正到標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃，前提是試樣溫度均勻且與環(huán)境溫度一致。對銅排(銀銅或無氧銀銅)進(jìn)行導(dǎo)電率檢測時(shí)，宜使用渦流法，在10~30°C的環(huán)境范圍內(nèi)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(yīng)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(xiàn)場進(jìn)行檢測。在被測樣品同時(shí)滿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(xiàn)更高的檢測效率。
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