影響銅導(dǎo)體直流電阻的因素和導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

山東日輝電纜集團(tuán)有限公司 許 璞 孫慶倫 李衍光 王揚(yáng)虎 劉朋成 魏海波

GB/T3956-2008《電纜的導(dǎo)體》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于電線電纜的20℃時(shí)導(dǎo)體直流電阻做了明確規(guī)定；由于中低壓電力電纜價(jià)格中導(dǎo)體占比在50%～80%，如何保證導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝既經(jīng)濟(jì)又能使導(dǎo)體直流電阻保留裕量，是廣大電線電纜生產(chǎn)企業(yè)該下足功夫研究的事情。筆者根據(jù)多年線纜行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電纜導(dǎo)體直流電阻的影響因素及導(dǎo)體優(yōu)化設(shè)計(jì)談點(diǎn)淺見(jiàn)。

1 體積電阻率對(duì)導(dǎo)體直流電阻的影響

電纜的銅導(dǎo)體材料一般選用GB/T3952-2016《電工用銅線坯》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的牌號(hào)為T(mén)1熱軋（M20）狀態(tài)、直徑為?8.0mm 的銅線坯作為電纜的導(dǎo)體材料進(jìn)行規(guī)格絲的拉制，或直接采購(gòu)GB/T3953-2009《電工圓銅線》標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)規(guī)格的TR 型軟圓銅線進(jìn)行導(dǎo)體的生產(chǎn)，其中影響電纜導(dǎo)體直流電阻最為關(guān)鍵的指標(biāo)之一就是20℃時(shí)的體積電阻率，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定T1（M20）的銅線坯應(yīng)不大0.017070Ω.mm2/m，TR 型圓銅線的體積電阻率應(yīng)不大于0.017241Ω.mm2/m。

在導(dǎo)體的生產(chǎn)過(guò)程中，同型號(hào)、規(guī)格的圓銅線體積電阻率越小，其20℃時(shí)的導(dǎo)體直流電阻越小。所以，為有效節(jié)約用銅量確保導(dǎo)體直流電阻合格圓單線的體積，電阻率是一個(gè)最為關(guān)鍵的參數(shù)，相同結(jié)構(gòu)，體積電阻率不同的圓銅線導(dǎo)體直流電阻檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 相同結(jié)構(gòu)，體積電阻率不同的圓銅線導(dǎo)體直流電阻檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2 絞合節(jié)徑比對(duì)導(dǎo)體直流電阻的影響

節(jié)徑比是絞線中單線的節(jié)距與該層的外徑之比，節(jié)徑比分為理論節(jié)徑比和實(shí)際節(jié)徑比。理論節(jié)徑比通常用于結(jié)構(gòu)計(jì)算，實(shí)際節(jié)徑比通常用于工藝計(jì)算。實(shí)際節(jié)徑比的計(jì)算公式為：m=h/D；其中h 為絞合節(jié)距；D 為絞線外圓直徑。由此可見(jiàn)，絞合節(jié)徑比越小，絞入率就越大。

GB/T3956-2008《電纜的導(dǎo)體》標(biāo)準(zhǔn)中將導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分為1、2、5、6四種；目的是根據(jù)導(dǎo)體的使用場(chǎng)合，保證電纜的電氣性能和機(jī)械性能。對(duì)于第2、5、6種導(dǎo)體而言為了降低電流的集膚效應(yīng)和電纜的抗拉強(qiáng)度及耐彎曲性能，均采用了絞合的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)的單線與單線之間均是以接觸和連通的形式存在，所以會(huì)產(chǎn)生接觸電阻（即便是緊壓），絞合節(jié)徑比越小接觸電阻就會(huì)越大且此電阻要遠(yuǎn)大于單線的內(nèi)部電阻。另外，電纜的導(dǎo)體在輸送電流過(guò)程中，電流沿單線的方向進(jìn)行傳輸，所以絞合節(jié)徑比越小，電流傳輸?shù)穆窂骄驮介L(zhǎng)，導(dǎo)體直流電阻就會(huì)隨之增加。

由表2數(shù)據(jù)匯總數(shù)據(jù)分析，在導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相同，節(jié)徑比越小，不僅用銅量增加而且導(dǎo)體直流電阻反而更大。不過(guò)值得指出的是，為了保證電纜的機(jī)械性能和電氣性能穩(wěn)定，節(jié)徑比也并非越大越好，往往超出一定比例會(huì)造成單線松散、位移，從而造成導(dǎo)體直流電阻不穩(wěn)定，抗拉和耐彎曲性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)驗(yàn)閷?dǎo)體松散、單線位移，在卷繞、收放或施工彎曲的作用力下造成絕緣層開(kāi)裂。某公司的絞合節(jié)徑比工藝設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表2 數(shù)據(jù)匯總

表3 絞合節(jié)徑比工藝設(shè)計(jì)表

3 圓銅線退火質(zhì)量對(duì)體積電阻率和導(dǎo)體直流電阻的影響

眾所周知，退火工序在《電線電纜生產(chǎn)許可證細(xì)則》和《電線電纜產(chǎn)品CCC 強(qiáng)制性認(rèn)證細(xì)則》中均被列為關(guān)鍵工序，因?yàn)橥嘶鹳|(zhì)量的控制，直接影響圓銅線的狀態(tài)（軟和硬），從而影響其體積電阻率和導(dǎo)體直流電阻。

目前，大多數(shù)廠家均使用連拉連退工藝，非架空用的電線電纜導(dǎo)體用圓銅線一般用銅線坯或硬銅線拉伸退火后使用。銅經(jīng)過(guò)冷拉伸（不退火）后拉伸強(qiáng)度和硬度增加，但體積電阻率和伸長(zhǎng)率下降，當(dāng)變形量不大時(shí)，對(duì)體積電阻率的影響不大，一般不超過(guò)2%；但當(dāng)變形量增加時(shí)，體積電阻率增大幅度可達(dá)6.2%，所以用退火的方式恢復(fù)銅的導(dǎo)電性和體積電阻率是保證導(dǎo)體直流電阻的關(guān)鍵。

根據(jù)導(dǎo)體所需單線直徑的不同，一般退火后的圓銅線伸長(zhǎng)率應(yīng)控制在GB/T3953-2009《電工圓銅線》規(guī)定值即可滿足體積電阻率的要求。應(yīng)引起重視的是，雖然伸長(zhǎng)率越大體積電阻率和導(dǎo)體直流電阻越好，但也應(yīng)充分考慮因伸長(zhǎng)率過(guò)大在后續(xù)各工序的生產(chǎn)過(guò)程中造成過(guò)度拉伸，從而造成成品的導(dǎo)體直流電阻不合格現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4 絞線緊壓工藝對(duì)導(dǎo)體直流電阻的影響

對(duì)于第2種絞合導(dǎo)體，為了減小電纜外徑降低成本，減小單線間的接觸電阻，一般均采用緊壓的結(jié)構(gòu)型式，緊壓工藝可分一次緊壓和分層緊壓，一般層數(shù)越少緊壓程度越高。就緊壓圓形導(dǎo)體而言，緊壓絞線的外徑與同規(guī)格的非緊壓外徑相比可縮小8%～10%。其中，7～19根單線構(gòu)成的絞線外徑可縮小10%左右，37根單線構(gòu)成的絞線外徑可縮小9.5%左右，61根單線構(gòu)成的絞線可縮小7%左右。

絞線中的單線經(jīng)過(guò)緊壓后，產(chǎn)生塑性變形和彈性變形，其中塑性變形是主要的，塑性變形的結(jié)果一方面使各單線斷面由圓形變成不規(guī)則的多邊形，并填充到絞線斷面的縫隙中，另一方面是使單線的長(zhǎng)度有所延伸，緊壓的壓力越大，絞線的填充系數(shù)就越大，單線的延伸系數(shù)也越大，同時(shí)導(dǎo)體變硬，電阻有所增加，所以有效控制導(dǎo)體的緊壓系數(shù)和填充系數(shù)是保證導(dǎo)體電阻合格和用銅量節(jié)約的關(guān)鍵因素。

某公司生產(chǎn)的1kV 電力電纜一般采用緊壓扇形結(jié)構(gòu)，為了有效控制扇形高度，把導(dǎo)體直流電阻和用銅量控制在合理的工藝規(guī)定的最佳范圍，在絞線的合線模和牽引輪中間增加了一臺(tái)QJ36電橋，在絞線的初始先進(jìn)行粗測(cè)調(diào)整，待牽引過(guò)后再取樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，在調(diào)整好軋輪高度的上方螺紋處做好標(biāo)記，以保證絞線過(guò)程中因斷線或其他原因松開(kāi)軋輪再次緊壓能恢復(fù)到原來(lái)的高度位置，同時(shí)測(cè)量扇形高度有無(wú)變化。表4為日常檢驗(yàn)扇形高度不同時(shí)的導(dǎo)體直流電阻數(shù)據(jù)。

表4 檢驗(yàn)扇形高度不同時(shí)的導(dǎo)體直流電阻

5 工藝改進(jìn)與結(jié)構(gòu)調(diào)整

根據(jù)上述影響導(dǎo)體直流電阻的種種因素，某公司2022年年初在技術(shù)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、采購(gòu)等部門(mén)的協(xié)同下，在以往持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)導(dǎo)體的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，首先從采購(gòu)環(huán)節(jié)控制所采購(gòu)的電工用銅線坯的體積電阻率應(yīng)≤0.01700Ω.mm2/m，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≤0.01707Ω.mm2/m。絞合的節(jié)徑比在工藝給定的范圍內(nèi)取上限值。在拉絲退火方面嚴(yán)格控制拉絲速度和退火電流，加大了拉絲工序的抽樣頻次，監(jiān)控好退火電流，每半小時(shí)填寫(xiě)一次監(jiān)控記錄。在導(dǎo)體的緊壓工藝管控上，嚴(yán)格控制扇形高度和緊壓外徑，在絞線的首尾做好導(dǎo)體電阻和結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)，在絞線的過(guò)程中加大緊壓直徑或扇形高度的測(cè)量頻次，以保障絞制的過(guò)程和開(kāi)車(chē)時(shí)調(diào)整好的最佳數(shù)據(jù)一致，從而有效保證電纜相間同截面導(dǎo)體的直流電阻無(wú)較大差異。

2022年優(yōu)化后的非緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)表5，緊壓圓形銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)見(jiàn)表6，成型銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（含瓦形、扇形）見(jiàn)表7。

表5 非緊壓圓形銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表6 緊壓圓形銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表

表7 成型銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表（含扇形、瓦形）

綜上所述，通過(guò)日常的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、倒推，跟蹤了從原材料進(jìn)廠到生產(chǎn)過(guò)程和成品檢驗(yàn)的全過(guò)程。認(rèn)真剖析了影響導(dǎo)體直流電阻的種種因素，并通過(guò)一系列的措施，從根本上保證了導(dǎo)體直流電阻值的穩(wěn)定，有效確保了銅資源的節(jié)約和導(dǎo)體直流電阻符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

由于受設(shè)備精度和繁瑣的生產(chǎn)流程條件的限制，仍有很多不確定因素存在。例如，第一種導(dǎo)體由于受各工序重復(fù)收放的單線延伸問(wèn)題，第二種導(dǎo)體絞合時(shí)各放線搖籃放線張力差異問(wèn)題，極易造成單線的直徑差異，均勻程度不易掌握。導(dǎo)體直流電阻和其他產(chǎn)品質(zhì)量的控制不是某一部門(mén)或某一個(gè)人的事情，需要協(xié)同相關(guān)部門(mén)人員集眾所長(zhǎng)，同時(shí)積極聽(tīng)取一線員工的意見(jiàn)、建議，認(rèn)真分析、總結(jié)，努力持續(xù)改進(jìn)，才能促使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提升。