研究与交流 发电机用铜线导电率与温度的关系 谭鹏程 上海电气电站设备有限公司发电机厂（２００２４０） Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ Ｗｉｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ⅣＰｅｎｇｃｈｅｎｇ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｐｌａｎｔ 摘要：使用电阻法和涡流法分别对铜导线与铜排 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。 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。 关键词：铜线导电率电阻法涡流法温度 １ 参考标准 ・ＹＳＴ ４７８－－２００５铜及铜合金导电率涡流检 测方法； ・ＧＢ／Ｔ ３０４８．２—２０Ｏ７电线电缆电性能试验 中图分类号：ＴＭ３Ｏ４文献标识码：Ａ ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．１ｓｓｎｌ００６－２８０７．２０１７．０１．００９ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａ— ｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃ－ ｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｂａｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｅｌｆｅｃｔｒｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｈａｄ ｔｏ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｏ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｌｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｔａｎ－ ｄａｒｄ ｂｅｃａｍｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｏｉｍ ｗｈｅｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｂｙ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｈｏｗｅｖｅ￣ｂｏｔｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ． 方法第２部分：金属材料电阻率试验； ・ＡＳＴＭ Ｅ １００４—２Ｏ０９ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈ— ｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｕｓ— ｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ（Ｅｄｄｙ—Ｃｕｒｒｅｎｔ）Ｍｅｔｈ— ｏｄ； ２ 导电率及其检测 ２．１导电率 Ｋｃｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅｓ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅ— ｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 导电率，，是评价材料导电性能的指标，日常 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 检测中通常还会用到电阻率ｐ（ｆｉｍｍ ／ｍ或ｆｉｌｍ） 和电导率盯（ＭＳ／ｍ）两项指标。实际上，这三项指 标只是材料导电陛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Ｐ是最被熟知的一 项指标，其计算公式为： 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 ・３４・２０１７年第１期《电机技术》 ｐ＝ＲＳ／Ｌ （１） 其中： 一导体电阻Ｑ； ． 一导体的横截面积ｍｍ：； 三一导体的长度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ｐ已知的情况下，电导率盯（Ｍ Ｓ／ｍ） 的计算公式为：ａ＝ｌ／ｐ；导电率 （％ＩＡＣＳ）的计 算公式为：７＝０．０１７ ２４１／ｐ×１００。其中Ｐ的单位为 ￣ｍｍＶｍ，ｐ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［ ］： ｐ＝ｐｏ［１＋ａ（ｔ－ｔｏ）１ （２） 其中：ｐ＿材料的电阻率￣ｍｍＺ／ｍ； ｐｏ—射料在标准温度下的电阻率Ｑｍｍ ／ｍ； —＿材料在标准温度下的电阻率温度系数 （随材料不同而不同）ｏＣ～； ｆｏ一标准温度ｏＣ； ｆ一某特定温度℃。 式（２）中的标准温度一般为０℃或２０℃。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。文献［３］显示，一般纯铜的电阻温度系数为 Ｏ．００３ ９３℃Ｊ（标准温度：２０℃）左右。 ２．２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。 ２．２．１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＝ｐＬ／Ｓ，即可计算出被测样品的电 研究与交流 阻率Ｐ。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。 ２．２．２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。 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。 ３ 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１ ７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℃，温 度梯度按每２℃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。 《电机技术》２０１７年第１期・３５・ 研究与交流 ３．１电阻法检测 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 ∞ｕｖＩ尊 昨 根据ＧＢ／Ｔ ３０４８．２—２００７，得到铜材的热膨 胀系数一般在１．７×１０ ℃，与其电阻温度系数 ｈ，确保有效等温。而车 ∞∞ 陀∞粥％舛 建议等温的时间应大于１０．００３ 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℃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见图１。 由图１可知，在１０—３０℃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： Ｊ，＝．０．４１（ 一２０）＋６ （３） 式中：ｙ一导电率％ＩＡＣＳ； 一检测时温度℃； ６一标准温度为２０℃的导电率％ＩＡＣＳ （Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄ）。 按式（３）电导率温度系数为一０．４１％ＩＡＣ Ｓ ／￣Ｃ，换算至电阻温度系数约为０．００４ ２３，与国标 给出的铜材类的０．００３ ９３较为接近［引，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Ｑｍｍ ／ｍ的电阻率 的温度系数则约为０．０００ ０７２℃～。 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℃范围内有效等温之后可直接使 用式（３）中的因子。０．４１，将检测结果直接换算至 标准温度（２０℃）。尽管该温度系数略大于国家 ．３６．２０１７年第１期《电机技术》 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。 ３．２涡流法检测 根据验证情况，铜排导电率与温度之间的关 系见图２和图３。 图２铜排导电率与温度的关系 １０１； ｉ舞… 譬 豢 旁季 １００－：１ ９８９ ｉｉ Ｉ ｌ １９ ２ｌ ｊｊ ２７ ２９ 温度，℃ 圈３铜排导电率与温度的关系 由图２和图３可知，应用涡流法进行检测时， 在１Ｏ～３Ｏ℃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％ＩＡＣ Ｓ，已低于 国家标准中重复性下限为０．６５％ＩＡＣＳ的要求【４】。 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块的有效等温，建议等温 （下转第４０页） 研究与交流 行性能要求。 ［３］ＷＡＮＧ Ｆｅｎｇｘｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎｇｇｅ ＸＵ Ｌｏｎｇｙａ．Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｙ Ｆｅｄ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ Ｍａ— ｃｈｉｎｅ ｗｉｔｈ Ｃａｇｅ ａｎｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｒｏｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ３ 结论 （１）在运行条件相同的情况下，通过Ｓｉｍ— ｕｌｉｎｋ仿真模型和Ａｎｓｏｆｔ有限元仿真模型所得到 ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００２，３８（５）：１２３７—１２４３． ［４］Ｘｕ Ｌ，Ｌｉａｎｇ Ｆ，Ｌｉｐｏ Ｔ Ａ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｄｏｕｂｌｙ－ｅｘｃｉｔｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒ－ ｓｉｏｎ，１９９１，１９（２）：１２６－１３３． ［５］ＭｃＭａｈｏｎ Ｒ Ａ，Ｒｏｂｅｒｔｓ Ｐ Ｃ，Ｗａｎｇ Ｘ ｅｔ ａ１．Ｐｅｒｆｏｒｍａｃｅ ｏｆ ＢＤＦＭ ａｓ ａ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ Ｍｏｔｏｒ￣Ｊ１．ＩＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｅｌｅｃ— ｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００６，１ ５３（２）：２８９－２９９． 的无刷双馈电机异步运行转速值，与试验测得的 转速值基本吻合，说明可以通过不同的仿真模型 反映电机的运行特性。 ［６】高强．不同转子结构无刷双馈电机磁场调制效果与动态特性研 究［Ｄ］．四川：重庆大学，２００９． 【７】王秀平．无刷双馈电机耦合能力研究与仿真软件开发［Ｄ］．沈 阳：沈阳工业大学，２００７． 【８程源，王雪帆，熊飞等．考虑饱和影响的绕线转子无刷双馈电 ８１机性能［Ｊ】．电工技术学报，２０１２，２７（５）：１６４．１７１ （２）由Ｓｉｍｕｌｉｎｋ构成的仿真模型没有考虑电 机磁路饱和，从电机起动到异步稳态运行所经 过的过渡时间短暂；由Ａｎｓｏｆｔ构建的有限元模型 所得到的异步运行转速，从电机起动到异步稳态 运行所经过的过渡时间ｌｚＬＳｉｍｕｌｉｎｋ构成的仿真 模型要长，说明采用有限元模型能更准确地反映 电机的性能。 参 考 文 献 ［９张岳，王风翔，邢军强等．磁障转子无刷双馈电机［９］Ｊ］．电工技术 学报，２０１２，２７（７）：４９—５４． ［１Ｏ］张凤阁，王凤翔，王正．不同转子结构无刷双馈电机稳态运行 特性的对比实验研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００２，２２（４）： ５２．５５． （收稿日期：２０１６．０９－１２） 基金项目：辽宁科技学院博士启动基金项目：磁障转子无刷双馈电 ［１］王凤翔，张凤阁．磁场调制式无刷双馈交流电机［Ｍ］．长春：吉 林大学出版社，２００４． ［２］邓先明，姜建国．无刷双馈电机的工作原理及电磁设计【Ｊ］．中国 电机工程学报，２００３，２３（１１）：１２６—１３２． 机及其运行特性研究（１２１２Ｂ２） 作者简介：张岳，男，１９６５年１１月生，博士，电机与电器专业，教授 研究方向为特种电机及其风力发电。 ‘ ● ・ ◆ ・ ◆ ・ ◆ ・ ◆ ・ ◆ ◆ ・ ● ・ ◆ ‘ ◆ ・ ◆ ・ ◆ ・ ◆ ・ ◆ ’ ◆ ・ ● ’ ◆ ・ ◆ ・ ◆ ’ ◆ ・ ◆ ’ ◆ ・ ◆ ・ ◆ ・ （上接第３６页） 时间应大于１ ｈ。另外，由于车间现场的温度稳定 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。 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。 ４ 结语 根据上述验证及分析，在工厂实验室对铜导 参 考 文 献 ［１］任丽英．测定金属电阻温度系数方法的研究［Ｊ】ｌ大学物理实 验，２０１０，２３（５）：７． 线（纯铜或无氧铜）进行导电率检测时，宜使用 电阻法。在１０—３０℃的环境温度范围内，可直接 【２】罗志高，沈韩，张锦．半导体热敏电阻和铜电阻的温度特性研 究［ 大学物理实验，２０１３，２６（５）：４０． ［３］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化 管理委员会．ＧＢ／Ｔ ３０４８．２－－２００９电线电缆电性能试验方法第 ２部分：金属材料电阻率试验［ｓ］．北京：中国标准化出版社， ２００７． 使用验证得到的系数一０．４１％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℃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１ ｈ， 以确保有效等温。另外，考虑到有效等温的重要 ・［４】国家发展和改革委员会．ＹＳ／Ｔ ４７８－－２００５铜及铜合金导电率涡 流检测方法［ｓ］．北京：中国标准出版社，２００５． （０Ｒ稿日期：２０１６—０７—２１） 作者简介：潭鹏程，男，１９８５年１１Ｎ生，硕士，工程师，材料工程专 业，现从事发电机各类金属原材料的理化检测管理及技术工作。 ４０．２０１７年第１期《电机技术》