郝 奇 張宇星

（機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷完善，國家對電線電纜的產(chǎn)品要求日趨規(guī)范與嚴(yán)格。目前，國內(nèi)電線電纜的生產(chǎn)水平普遍較低，并且劣質(zhì)產(chǎn)品充斥著整個(gè)市場。電纜導(dǎo)體直流電阻的大小是衡量電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，關(guān)系到能耗和安全。其在電線電纜電性能檢測中尤為重要，在產(chǎn)品質(zhì)量檢測中被列為例檢項(xiàng)目。如今，電線電纜導(dǎo)體直流電阻的測量主要采用單、雙臂電橋法。雖然從理論分析來看，雙臂電橋測試直流電阻的精度相對較高，但在實(shí)際測試中由于接觸電阻等因素引起的測量誤差仍然存在，并且對于絞線結(jié)構(gòu)，絞合方式，尤其是大截面絞線結(jié)構(gòu)的電阻測量，常不易得出準(zhǔn)確的數(shù)值。鑒于以上情況，本文以雙臂電橋測試法為基礎(chǔ)，分析了電纜線芯直流電阻測試中的影響因素以及減小測量誤差的改進(jìn)方法，為改進(jìn)導(dǎo)電線芯直流電阻測量的方法提供理論和技術(shù)支持。

1 電纜導(dǎo)體直流電阻的測量原理

根據(jù)GB 3048.4—2008規(guī)定，導(dǎo)體直流電阻的測量儀器采用單臂或雙臂電橋。本文采用直流雙臂電橋法為測量導(dǎo)體直流電阻的基本方法。直流雙臂電橋是采用凱爾文線路寬量程的攜帶式精密型直流電橋，多用于測量1Ω以下的電阻，其測量原理圖如圖1所示。雙臂電橋法測量多采用四端子測量夾具，對于精度要求較高的電阻測量值，雙臂電橋能夠有效地減小接觸電阻和接線電阻對測量結(jié)果真實(shí)值的影響。因此，用直流雙臂電橋測量小電阻時(shí)，能得到較準(zhǔn)確的測量結(jié)果。雙臂電橋測量時(shí)試樣電阻計(jì)算按下式：

式中，Rx為被測試樣的電阻值，Ω；Rn為雙臂電橋中的標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值，Ω；R1、R2為電橋檢流計(jì)指針平衡時(shí)橋臂上的電阻值，Ω。

圖1 雙臂電橋測量原理圖

圖1 中，E為直流穩(wěn)壓電源；A為電流表；G為檢測電橋是否平衡的檢流計(jì)（一般采用靈敏度高的）；P為分流器；Rn標(biāo)準(zhǔn)電阻；Rv為可變電阻器；Rx為未知阻值的被測電阻；S3為接通檢流計(jì)的開關(guān)；S1為接通直流電源的開關(guān)；R為跨線電阻；其余電阻均為橋臂上的電阻。

根據(jù)GB/T 3048.4—2007標(biāo)準(zhǔn)，測量結(jié)果要求換算成20℃時(shí)每千米導(dǎo)體的電阻值，換算公式如下：

式中，R20為20℃時(shí)每千米導(dǎo)體電阻，Ω/km；Rt為在環(huán)境溫度為t，被測試樣長度為L時(shí)導(dǎo)體電阻阻值，Ω；a20為該導(dǎo)體在20℃時(shí)電阻溫度系數(shù)，1/℃；t為測量時(shí)的環(huán)境溫度，℃；L為測量阻值的長度，m。

2 影響電阻測量準(zhǔn)確性的因素及分析

2.1 接觸電阻對測量結(jié)果的影響

由于絞合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體的單線之間接觸表面氧化膜層及其他污染物，如雜質(zhì)，灰塵，會構(gòu)成膜層電阻。在測量導(dǎo)體電阻時(shí)，夾具只是加緊被測試樣兩端。因此在測量導(dǎo)體電阻時(shí)，被測試樣同夾具之間就存在接觸電阻。接觸電阻不僅與氧化層的性質(zhì)和厚度有關(guān)，也受到被測試樣與連接導(dǎo)體的夾具之間的接觸面積與夾具對導(dǎo)體的松緊程度的影響。接觸電阻不僅存在于導(dǎo)體和夾具之間，在絞合線芯的每根絞合導(dǎo)體之間也存在著接觸電阻。接觸電阻會隨著夾緊位置和夾緊力而變化。相對而言，大截面絞合鋁導(dǎo)體及絞合電焊機(jī)線的電阻最不易準(zhǔn)確測量，這主要是因?yàn)殇X極易氧化，并且氧化鋁的電阻比較高，鋁導(dǎo)體單線根數(shù)愈多，單線氧化程度越嚴(yán)重，其總接觸電阻也會越大；電焊機(jī)所用軟通導(dǎo)體由于絞合方式以及軟線的柔韌性導(dǎo)致其單線之間存在縫隙，從而導(dǎo)致其接觸電阻也偏大。絞合導(dǎo)體中，被測試樣截面越大，電阻越小，在絞合線芯根數(shù)較多時(shí)，接觸電阻甚至?xí)瑢?dǎo)體本身電阻處于同一數(shù)量級范圍，這時(shí)接觸電阻對導(dǎo)體電阻測量產(chǎn)生的影響就會變得很大。由于接觸電阻的影響，被測導(dǎo)體電阻在測量過程中得到的會是一個(gè)不穩(wěn)定的并且與其真實(shí)阻值偏差很大的數(shù)值

測量導(dǎo)體電阻所用的夾具是呈直角的刀形夾具，其測量導(dǎo)體電阻夾導(dǎo)體時(shí)是垂直方向壓緊的，沒有壓緊限度，在對大截面絞合線芯進(jìn)行測量時(shí)，隨著夾緊力的增加，線芯嚴(yán)重變形，導(dǎo)致被測絞合線芯松散，甚至彼此脫離接觸，從而讓測量值的分散性變得很大。雖然環(huán)形夾具是沿圓周的方向進(jìn)行壓緊，使絞合線芯中各線接觸更為緊密，但線芯間表面氧化層之間的接觸電阻并無法消除，因此測量值也具有較大的分散性，用刀型夾具和環(huán)形夾具測量的導(dǎo)電線芯電阻的分散性比較如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：鋁芯及電焊機(jī)線較硬銅芯的分散率更大；大的截面相比于小的截面的分散率更大。

圖2中，1為硬銅線芯，刀型夾具測試；2為硬銅線芯，環(huán)型刀具測量；3為鋁線芯及電焊機(jī)線，刀型夾具測量；4為鋁線芯及電焊機(jī)線，環(huán)型刀具測量。

圖2 兩種夾具電阻測量值的分散率

2.2 電流強(qiáng)弱對測試結(jié)果的影響

判斷導(dǎo)線的溫度是否隨測量電流變化而變化，可用大小不同的兩個(gè)電流分別對其進(jìn)行測定。如若兩者的數(shù)值偏差在范圍內(nèi)即小于±0.5%，則認(rèn)為電流變化并不會對溫度導(dǎo)線溫度造成影響。但是用多大比例電流進(jìn)行測量合適，在實(shí)際使用中不易確定，為此我們曾對一些試樣進(jìn)行了測量電流密度與電阻測量值之間的變化關(guān)系試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁芯電纜的測量電流密度不超 0.5A/mm2，銅芯電纜測量電流密度低于1A/mm2時(shí)，過經(jīng)過電位夾片時(shí)電阻值的增率，小于0.07%。

圖3 電流密度與電阻增率的關(guān)系

圖 3中，1為鋁芯 4mm2；2為鋁芯 10mm2；3為鋁芯16mm2；4為銅芯6mm2；5為銅芯6mm2。

2.3 其他影響因素

1）電位端同試樣的接觸面積，接觸面積越大流過截面的電流越穩(wěn)定。

（3）導(dǎo)管相關(guān)靜脈血栓 有上肢靜脈血栓的典型表現(xiàn)：上肢發(fā)紅、腫脹、有導(dǎo)管的部位或臨近部位觸痛[8]，經(jīng)彩色多普勒超聲診斷為上肢靜脈血栓[9]。

2）導(dǎo)體溫度與環(huán)境溫度是否一致。

3）所用夾具點(diǎn)位間的距離。

4）測量大截面到提示電流端同電位端的距離太近導(dǎo)致的測量誤差。

5）儀器各個(gè)連接線本身的電阻和接觸電阻。

6）雙臂電橋、檢流計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)電阻本身存在的誤差。

7）測量過程中導(dǎo)體溫度隨通電時(shí)間而升高造成的誤差。

3 提高直流電阻測量準(zhǔn)確性的具體措施

3.1 減小接觸電阻

（1）降低徑向電阻

朱中柱[1]的研究結(jié)果表明，先將試樣浸泡在酸性溶液中適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，去除部分氧化層，然后再將試樣端部用氬弧焊焊接，再對其進(jìn)行電阻測量，徑向電阻顯著降低。

（2）采用端部焊接法使絞線中的電流分布更加均勻

由于夾具與絞合導(dǎo)體之間以及絞合導(dǎo)體各單線間存在接觸電阻，導(dǎo)致絞合線芯中單線的電流分布不均。由于施加的電壓部分消耗在與外層單線間的接觸電阻上：從而導(dǎo)致與夾具接觸的單線的電流密度較大。越靠近中心的位置電流密度越小。故絞合導(dǎo)體內(nèi)部各單線的電流分布是不均勻的。每根單線的等效電阻也不相同。

絞合導(dǎo)體各單線中的電流I1, I2, …, In以及各單線的等效電阻R1, R2, …, Rn都是不相等的，絞線試樣總的等效電阻為：

實(shí)際電阻為 R=R0/n，不等于R′。式中，R0為每根單線的實(shí)際電阻；n為單線根數(shù)。

對電位端進(jìn)行焊接，使測量電流I可以通過焊接處進(jìn)入試樣，然后均勻分布于每根單線中。所以存在R=R0/n。

實(shí)驗(yàn)中，盡量從焊接處通入電流，使流入導(dǎo)體的電流更均勻地分布到各個(gè)單線之間。

徐林青[2]對幾種規(guī)格的銅，鋁絞線結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行測試比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過端部焊接后，小截面絞合電纜測量分散率下降到 0.1%～0.2%，大截面從百分之幾十下降到1%～2%。

3.2 試樣的制備與夾具的選擇

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，用酒精擦拭其表面，盡可能除去導(dǎo)體表面的附著物、污穢、油垢和氧化層，如有需求在不影響其截面的情況下可用砂紙輕輕打磨。實(shí)驗(yàn)過程中夾具用環(huán)形夾具，如是絞合鋁導(dǎo)體用鋁接線鼻套裝連接兩個(gè)電流端緊固壓接，并與雙臂電橋配合使用。通過四端環(huán)形大號夾具與鋁接線鼻的同時(shí)配合使用，把試樣沿圓周方向完全夾緊，確保試樣線芯端部與鋁接線鼻充分接觸，使得導(dǎo)體與夾具和鋁接線鼻完全接觸，確保接觸和固定良好，把導(dǎo)體與連接線之間和絞線芯的每根單線之間的接觸電阻都降到最低。

3.3 試樣的溫度處理

測量前試樣在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜置存放不小于16h，使其達(dá)到與環(huán)境溫度平衡，在對試樣進(jìn)行測量時(shí)也應(yīng)在恒溫實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，避免環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致導(dǎo)體溫度變化，從而對導(dǎo)體直流電阻測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

3.4 連接線的改進(jìn)

對測試儀器之間的連接導(dǎo)線進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，盡量選用大截面積的編制軟銅帶進(jìn)行連接，確保連接線的電阻小于標(biāo)準(zhǔn)電阻值，從而降低連接線間的電阻。

4 結(jié)束語

本文分析了電纜線芯直流電阻測試中的影響因素以及減小測量誤差的改進(jìn)方法，得出如下結(jié)論：

1）采用雙臂電橋法測試導(dǎo)體直流電阻的過程中，接觸電阻與電流密度是影響結(jié)果正確性的主要因素。故若要提高直流電阻測試精度，須主要從以上兩方面出發(fā)。

2）通過降低徑向電阻與采用端部焊接法改變絞線中的電流分布，可以有效地減小接觸電阻產(chǎn)生的誤差，從而提高測試精度。