扁电磁线导体直流电阻平衡性研究

2012 年第 6 期 No． 6 2012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 12 月 Dec．，2012 扁电磁线导体直流电阻平衡性研究 杨名波， 潘世文， 唐文进， 周 升， 邵 兵， 王亚举 (株洲时代新科技股份有限公司，湖南 株洲 412007) 摘要:分析了扁电磁线制备过程中导体直流电阻不平衡的原因，指出其主要在于铜线坯直流电阻率不平衡和 铜导体截面尺寸偏差太大。提出了扁电磁线导体电阻不平衡的解决方案，即通过导体截面尺寸设计对铜线坯 直流电阻率进行补偿，以及采用进口精密轧机对铜导体截面尺寸精准控制，实现了将扁电磁线导体直流电阻 不平衡率控制在 2%标准范围内的目标。 关键词:扁电磁线;直流电阻 ;不平衡率;导体尺寸设计;精密轧机 中图分类号:TM245 文献标识码:A 文章编号:1672-6901(2012)06-0016-05 Study on the Conductor Resistance Balance of Rectangular Magnet Wire YANG Ming-bo，PAN Shi-wen，TANG Wen-jin，ZHOU Sheng，SHAO Bing，WANG Ya-ju (Zhuzhou Times New Material Technology Co．，Ltd．，Zhuzhou 412007，China) Abstract:The reason of conductor resistance unbalanced was analyzed in the preparation process of rectangular mag- net wire． It was found that the unbalanced direct current resistance of rectangular magnet wire was determined mainly by non-uniform resistance of the copper drawing stock and the measurement deviation of the copper conductor section size． The practical solution was proposed． The conductor size design was used to compensate the direct current resist- ance of copper drawing stock，and the imported precision rolling mill was adopted in controlling accurately the con- ductor size． By these means，the unbalanced rate of conductor resistance was kept within standard 2% ． Key words:rectangular magnet wire;direct current resistance;unbalanced rate;conductor size design;precision rolling mill 收稿日期:2012-04-09 作者简介:杨名波 (1970 －) ，男，高级工程师． 作者地址:湖南株洲市天元区海天路 18 号［412007］． 0 引 言 三相变压器绕组的直流电阻不平衡是变压器试 验的一项重要性能参数。GB 6451． 1—1986，GB 6450—1986 中规定，对于 10 kV 级、容量 1600 kVA (干式变压器 2500 kVA)以下变压器，其相直流电阻 不平衡率为 4%，线电阻不平衡率为 2%［1］。有文献 分析了导线对绕组直流电阻不平衡率的影响，发现 电磁线导体电阻的不平衡可引起变压器直流电阻不 平衡率超标［2］。此外，电机行业也对电磁线导体的 直流电阻不平衡率做出了规定，如 DL /T 596—1996 《电力设备预防性试验》规定 3 kV 及以上或 100 kW及以上的电动机各相绕组直流电阻值的相 互差别不应超过最小值的 2%。本文针对部分客户 提出的直流电阻不平衡率比标准更高的要求，分析 了风力发电机用扁电磁线直流电阻不平衡的原因， 提出了降低扁电磁线直流电阻不平衡率的方案。 1 样品制备和分析方法 1． 1 样品制备 目前风力发电机电磁线用绕包铜扁线的工艺流 程如下:原材料加工成铜线坯→拉线→退火→绕包 →成盘。 1． 2 分析方法 电阻计算公式: R = ρL /S (1) 式中，R为电阻;ρ为导体材料的直流电阻率;L 为导 体的长度;S为导体的横截面积。 直流电阻不平衡率的计算公式: 电阻不平衡率 = 2(R20max － R20min)/ (R20max + R20min)× 100% (2) 式中，R20max和 R20min分别为电磁线导体换算成 20℃ 时的最大直流电阻值和最小直流电阻值。 导体电阻率不平衡率计算公式为: 电阻率不平衡率 = 2(ρ20max － ρ20min)/ (ρ20max + ρ20min)× 100% (3) 式中，ρ20max和 ρ20min分别为电磁线导体换算成 20℃时 的最大直流电阻率和最小直流电阻率。 导体的最小截面积和最大截面积计算公式为: Smin = amin × bmin － 0． 8584 × r 2 max (4) Smax = amax × bmax － 0． 8584 × r 2 min (5) 式中，Smin、Smax分别为最小截面积和最大截面积; amin、amax分别为最小窄边和最大窄边;bmin、bmax分别 为最小宽边和最大宽边;rmin、rmax分别为最小圆角和 最大圆角。 2 结果和讨论 2． 1 电阻不平衡原因分析 (1)原材料加工方式对电阻不平衡率的影响 由式(1)和式(3)可知，在同等长度和截面积的 情况下，电阻的大小由电阻率决定，电阻不平衡率可 用电阻率不平衡率表示。将各个厂家同一天生产的 铜线坯视为同一批次，对连铸连轧法、上引法和浸涂 成型法三种不同加工方法半年内生产的铜线坯的电 阻率不平衡情况进行比较，结果如图 1。 由图 1 可知，三种加工方法生产的铜线坯的电 阻率差异明显，即使同一种加工方法，电阻率在半年 内也波动较大，其电阻率不平衡率如图 2 所示。 图 1 铜线坯电阻率分布 图 3 不同批次铜线坯电阻率不平衡率分布图 图 2 不同加工方式铜线坯电阻率不平衡情况对比 在半年内不同批次之间，三种加工方式生产的 铜线坯电阻率不平衡率均超过 2%的标准要求，表 明同一加工方法生产的不同批次之间的铜线坯混用 时，会出现电阻不平衡率超标情况。 将各个厂家不同批次的电阻率不平衡率情况分 别比较，结果如图 3。从图 3 可知，同一加工方式的 铜线坯，除个别批次之外，电阻率不平衡率基本都在 2%的标准内。 可见，不同的加工方式以及同一加工方式下的 不同批次都会导致铜线坯电阻率不均匀，进而引起 导体电阻的不平衡。 (2)拉线工艺对电阻不平衡率的影响 拉线工艺影响着导线截面尺寸偏差。据文献 ［3］报道，导线截面尺寸偏差会导致直流电阻不平 ·71· 2012 年第 6 期 No． 6 2012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 12 月 Dec．，2012 衡率超标。由式(1)也可看出导线截面积的变化对 导体电阻的影响。 以 3． 55 mm × 10 mm 铜扁线为例，计算截面尺 寸变化对电阻不平衡率的影响。GB /T 7673． 3— 2008 规定，截面尺寸偏差要求为: (3． 55 ± 0． 05 mm)× (10 ± 0． 07)mm，圆角半径 r = 0． 8(1 ± 25%)mm。 根据式(4)和式(5) ，可得 Smin = 33． 90 mm 2， Smax = 35． 95 mm 2。取导体电阻率 ρ20 = 0． 017241 Ω·mm2 /m，其 每 米 直 流 电 阻 分 别 为 R20min = 0． 000479 Ω，R20max = 0． 000508 Ω。由式(2)算得电 阻不平衡率为 5． 84%。 由此可见，在导体直流电阻率相同的情况下，由 于导体截面尺寸的公差而造成的导体电阻不平衡 率，最大可达 5． 84%，超过标准允许的电阻不平衡 率值。 (3)退火工艺对导体直流电阻不平衡率的影响 为研究退火工序对导体直流电阻的影响，对裸 线退火前后的电阻不平衡情况进行比较。试验分别 采用五组同规格裸线，每组三盘，对退火前后电阻不 平衡情况进行比较，结果如表 1。 表 1 退火前后导体电阻及电阻不平衡率变化 组别 扁线芯尺寸 /mm (a边 × b边) 退火前 退火后 电阻值 / (× 10 －4Ω) 电阻不平 衡率 /% 电阻值 / (× 10 －4Ω) 电阻不平 衡率 /% 电阻不平衡率 变化量 /% 1 3． 547 × 9． 973 3． 544 × 9． 960 3． 533 × 9． 982 5． 007 5． 008 5． 047 0． 80 4． 929 4． 930 4． 960 0． 63 0． 17 2 3． 533 × 9． 984 3． 536 × 9． 976 3． 532 × 9． 970 5． 069 5． 070 5． 080 0． 22 4． 912 4． 927 4． 927 0． 30 0． 08 3 3． 537 × 9． 978 3． 535 × 9． 975 3． 543 × 9． 978 5． 022 5． 034 5． 040 0． 36 4． 868 4． 873 4． 874 0． 12 0． 24 4 3． 540 × 9． 982 3． 538 × 9． 985 3． 531 × 9． 976 5． 011 5． 023 5． 046 0． 70 4． 878 4． 882 4． 924 0． 94 0． 24 5 3． 545 × 9． 990 3． 535 × 9． 987 3． 537 × 9． 987 5． 011 5． 034 5． 043 0． 64 4． 867 4． 903 4． 904 0． 76 0． 12 由表 1 可知，退火前后电阻不平衡率变化偏差 最大为 0． 24%。实验表明，退火工序对导体电阻率 平衡性的影响很小。 综上所述，原材料加工方法、批次和拉线工艺对 导体直流电阻的不平衡性影响较大，而退火过程对 电阻不平衡性影响较小。铜线坯电阻率的不均匀和 导体截面尺寸的偏差是造成扁电磁线导体直流电阻 不平衡的主要原因。 2． 2 解决方案 要彻底解决导体直流电阻不平衡率超标问题， 必须减少导体截面尺寸偏差和降低铜线坯电阻率的 不均衡性。 (1)导体截面尺寸偏差太大的解决方案 扁电磁线导体的拉制方式有三种:模具法、挤压 法和精轧法。在模具拉线法的拉制过程中，因模具 与导体剧烈摩擦，模具定径尺寸不断增加，一个标模 从最小尺寸到最大尺寸的拉制过程，也是导体尺寸 在不断增大的过程，在微观上表现为导体呈一个锥 体形状。所以，采用同一个模具拉制出来的产品，导 体尺寸从标准最小尺寸过渡到标准最大尺寸，导体 的电阻也随导体尺寸的增大而减小，从而导致导体 的电阻不平衡率超标。若将同一批导体的尺寸公差 范围缩小，则不可避免地增加了拉线模具的成本或 造成不同批次之间产品的电阻不平衡率增大，因为 目前拉丝模具都是手工修模，其尺寸的均匀性和圆 角半径的控制都存在较大的不均匀性。同样在挤压 生产方式中，也是通过挤压模具确定产品尺寸，也存 在由于模具逐渐变大和圆角不均匀的问题。 为了解决导体尺寸不均匀的问题，采用精密轧 机对导体进行加工，精密轧机轧制产品的生产 如图 4 所示。 导体通过上下三个轧辊和左右两个轧辊的轧 制，通过激光探测仪对成品尺寸进行追踪反馈，从而 调整前面轧辊的开合，稳定导体尺寸。 ·81· 2012 年第 6 期 No． 6 2012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 12 月 Dec．，2012 图 4 精密轧机生产流程示意图 图 5 3． 55 mm ×10 mm铜扁线导体尺寸变化图 图 5 为 3． 55 mm ×10 mm铜扁线导体尺寸变化 图。经验证，精密轧机控制导体尺寸，a 边可控制在 ± 0． 01 mm，b边可控制在 ± 0． 015 mm。 精密轧机轧制导体圆角采用轧辊开槽圆角方式 控制，放大 200 倍后，其圆角验证图如图 6。通过检 测证明，采用精轧机轧制导体，其圆角半径的偏差最 大不超过 ± 2%，其圆角偏差对线芯尺寸影响非 常小。 图 6 进口精密轧机轧制导体圆角 导体尺寸偏差为(a ± 0. 01)×(b ± 0. 015)mm， 对于本文所研究的 3. 55 mm × 10 mm 铜扁线线规， 采用精密轧机生产，导体截面尺寸偏差为(3. 55 ± 0. 01)mm ×(10 ± 0. 015)mm，圆角半径 r = 0. 8(1 ± 2%)mm。 根据式(4)和式(5) ，计算可得 Smin = 34. 78 mm2，Smax = 35. 13 mm 2。取导体电阻率 ρ20 = 0. 017241 Ω·mm2 /m，其每米直流电阻分别为 R20min = 0. 000491 Ω，R20max = 0. 000496 Ω。由式(2) 可得电阻不平衡率为 1. 00%。 由此可见，采用精密轧机生产铜扁线，通过控制 导体尺寸和圆角半径公差，可以使铜扁线电阻不平 衡率达到标准要求。 (2)铜线坯电阻率不均匀的解决方案 虽然通过以上方法可将同一厂家、同一批次铜 线坯的电阻率不平衡率控制在一定范围内，但在电 磁线交货周期长或合同批量大时，要确保批量铜线 坯电阻率的平衡，相对来说难度比较大。本文采用 导体尺寸补偿的方法来解决导体原材料电阻率不均 匀性的问题，过程如下: R平 = ρ20平L /S平 (6) R设 = ρ20测L /S设 (7) 式中，R设、R平 分别为设计电阻和平均电阻;ρ20平、ρ20测 分别为换算为 20℃时的平均电阻率和实测电阻率; S设、S平分别为导体设计截面积和导体平均截面积。 设导体的设计电阻值为半年铜线坯的平均值， ·91· 2012 年第 6 期 No． 6 2012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 12 月 Dec．，2012 即 ρ20测L /S设 = ρ20平L /S平，变换得: S设 = S平 × ρ20测 /ρ20平 (8) 半年间连铸连轧铜线坯的电阻率平均值 ρ20平 = 0. 0168868 Ω·mm2 /m。精密轧机轧制导体圆角半 径变化甚小，为简便计算，在此忽略不计，取导体标 准尺寸计算导体平均截面积为 S平 = a × b = 3. 55 × 10 = 35. 5 mm2。测得进厂铜线坯直流电阻率 ρ20测 = 0. 016700Ω·mm2 /m，由式(8)得 S设 = 35. 11 mm 2。 根据 GB/T 7673. 3—2008 规定，3. 55 mm × 10 mm 线 规截面尺寸偏差要求为(3. 55 ± 0. 05)mm ×(10 ± 0. 07)mm，则本文设计此批导体精密轧制尺寸为: a =(3. 53 ±0. 01)mm，b =(9. 95 ±0. 015)mm。 通过导体尺寸的补偿设计，可以很好地解决由 于原材料直流电阻率不均匀而造成的产品直流电阻 不平衡率超标的问题。 2. 3 实践应用 对规格为 3. 55 mm ×10 mm的铜扁线同时采取 导体截面积补偿设计和精密轧机轧制的办法，统计 其三个月的电阻值变化情况，结果如图 7。从图 7 可见，铜扁线的电阻值基本处于 0. 000487 ～ 0. 000497 Ω之间，电阻不平衡率低于 2%。 3 结 论 (1)铜线坯的直流电阻率不均匀和导体截面尺 寸偏差太大是导致扁电磁线导体直流电阻不平衡的 主要原因。 图 7 直流电阻值分布直方图 (2)通过对导体尺寸补偿设计，可有效解决导 体原材料电阻率不均匀的问题;通过采用精密轧机 对导体进行加工，实现导体尺寸的精准控制，可减少 导体尺寸偏差。实践证明，扁电磁线的导体直流电 阻不平衡率可控制在 2%以下。 参考文献: ［1］ 韩 军． 变压器直流电阻不平衡原因及分析［J］． 电气技术， 2006(11) :39-41． ［2］ 孙世录． 导线对绕组直流电阻不平衡率的影响［J］． 变压器， 1994(7) :27． ［3］ 范晓明． 直流电阻不平衡率超标的分析［J］． 电气时代，2002 (2) : 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 48-49． (上接第 9 页) BVV电缆内护层制作工艺改进后，整个制造成 本比原来的生产工艺方式要降低 25%左右，详见 表 2。 表 2 BVV电缆内护层生产工艺改进前后的成本比较 电缆型 号规格 项 目 改进前 改进后 BVV 5 × 2． 5 原材料 PVC护套料 30% PVC + 70% 碳酸钙颗粒 材料消耗 /(kg /km) 20． 6 29． 7(8． 9 + 20． 8) 材料单价 /(元 /kg) 9 9、3． 6 材料费用 /(元 /km) 185 155 生产工时 /(h /km)① 7 3 生产费用 /(元 /km) 56 24 合计费用 /(元) 241 179 ① 生产工时是指内护层和外护套生产共需的人员工时。 4 结束语 目前，国内电气装备用绝缘电线电缆的市场竞 争非常激烈，该类产品生产投资小，工艺技术成熟， 所以生产企业在保证产品质量的前提下都在不断进 行技术革新，以提高生产效率和降低制造成本。 我们通过对 BVV 型电缆内护层生产工艺的改 进，使产品在确保质量的前提下，生产成本降低 25%左右，并减轻生产工人的劳动强度，提高工作 效率。 参考文献: ［1］ GB /T 5023． 4—2008 额定电压 450 /750 V及以下聚氯乙烯绝 缘电缆 第 4 部分:固定布线用护套电缆［S］． ·02· 2012 年第 6 期 No． 6 2012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 12 月 Dec．，2012