一種大截面鋁導體直流電阻測試夾具的分析設計

于文川，任博純

（河北省產品質量監(jiān)督檢驗研究院，石家莊 050227）

0 引言

電線電纜導體的作用是傳輸電流，其損耗主要是由導體材料的電導系數來決定，為了統(tǒng)一測試標準和有利于對比，一般將直流電阻作為判斷導體是否合格的重要依據。直流電阻越大，導體的導電能力越弱；直流電阻越小，導體導電能力越強。大量的檢測數據表明：無論是大截面還是小截面，絞合銅導體的直流電阻測量數據都比較穩(wěn)定；但是大截面鋁導體的直流電阻測量容易受到測量工具及人員操作的影響，測量數據不易穩(wěn)定[1]。

影響大截面導體直流電阻測試的因素有：生產制造過程中的因素、實驗室環(huán)境溫度與導體溫度的不一致的因素、端部處理不當的因素（特別對于大截面鋁導體端部處理）、測試設備和測試人員操作的因素；測試時對導體夾緊力松緊也會導致電阻的不精確性，較松會使導體與夾具接觸不到位；夾緊力尤其對大截面鋁導體影響很大[2]。

因此，要采取措施來防止此種情況發(fā)生，尤其對于大截面鋁導體來說夾具的設計十分重要。

1 大截面鋁導體直流電阻的測量

1.1 測量環(huán)境條件

型式試驗中，實驗室環(huán)境條件需滿足GB/T 3048.4-2007《電線電纜電性能試驗方法 第4部分：導體直流電阻試驗》中的規(guī)定：

1）實驗室環(huán)境溫度需滿足：溫度15℃～25℃，空氣濕度不大于85%；

2）試樣放置和試驗過程中，環(huán)境溫度的變化不超過±1℃。

1.2 測量試樣要求

GB/T 3048.4-2007《電線電纜電性能試驗方法 第4部分：導體直流電阻試驗》中第4.4節(jié)中對大截面鋁導體試樣有明確要求，型式試驗推薦采用試樣長度為：導體截面在95～185mm2，取3m；導體截面240mm2及以上，取5m。有爭議時，導體截面185mm2及以下，取5m；導體截面240mm2及以上，取10m。

另外，測量時，大截面鋁導體試樣電流引入端通常采用鋁壓接頭（鋁鼻子），以使壓接后的導體與接頭融為一體，電位電極采用直徑約1.0mm的軟銅絲在絞線外緊密纏繞1～2圈后打結引出，防止試樣端部松動。

1.3 測量不確定度數學模型

GB/T 3048.4-2007《電線電纜電性能試驗方法第4部分：導體直流電阻試驗》中第6.2節(jié)中，型式試驗時，溫度為20℃時導體直流電阻計算的經驗公式為：

式中：

R20為20℃時每公里長度電阻值，單位為歐每千米（Ω/km）；

Rx為t℃時L長電纜的實際測量電阻值，單位為歐（Ω）；

α20為導體材料20℃時電阻溫度系數，單位為每攝氏度（1/℃）；

t為測量時的導體溫度（環(huán)境溫度），單位為攝氏度（℃）；

L為試樣的測量長度（成品電纜的長度，而不是單根絕緣線芯的長度），單位為米（m）；

注：按照式(1)的定義，t應為導體溫度。測量時采用環(huán)境溫度代替導體溫度。

根據實際測量經驗，R20測量結果的不確定度主要包括以下兩部分：

1）以觀測的隨機產生的統(tǒng)計方法進行評定的測量不確定度，利用A類不確定度進行表示；

2）測量系統(tǒng)、試樣長度、環(huán)境溫濕度等方面產生的不確定度，通過B類不確定度評定方法進行確定。

因此，式(1)中測量結果R20可以表述為式(2)：

式中：

R20為20℃時導體電阻測量值的平均值；

R20(ΔRi)為統(tǒng)計方法計算得到的標準偏差，即為測量的A類不確定度uA；

R20(Δti)為測量系統(tǒng)產生的不確定度，B類不確定度的一個分量uB1；

R20(ΔLi)為試樣長度引起的不確定度，B類不確定度的一個分量uB2。

實際測量過程中，測量環(huán)境中環(huán)境溫度ti為需要記錄的變量，使用電橋可對測量數據Ri進行記錄，使用測量系統(tǒng)中的測量夾具電流端電極和電位端電極固定，因此，試樣長度Li可視為恒定常數，故由試樣長度引起的不確定度uB1=R20(ΔLi)=0。

故，導體直流電阻的不確定度可表示為uR20=uA+uB1。

2 傳統(tǒng)導體直流電阻測量夾具現狀及發(fā)展趨勢

目前，國內的直流電阻測量設備大多為直流單雙臂電橋（數顯式和指針式），配合使用相應的四端子導體電橋夾具進行直流電阻測量。但其在實際測量過程中存在很多不足之處[3]：

1）在測試過程中，電極與試樣表面為點接觸，導致電極與試樣間接觸電阻過大，影響測量數據的穩(wěn)定性；此外，接觸刀口會因長期使用而發(fā)生磨損；

2）導體測量過程中，尤其是大截面導體測量由于夾緊試樣過程中經常出現由于受力不均導致的導體松散，影響電阻測試數據的穩(wěn)定性。

因此，針對大截面導體直流電阻測量夾具的改良和研發(fā)，成為直流電阻測量系統(tǒng)制造廠家的面臨解決的首要問題。

3 系統(tǒng)方案設計

本文所設計的系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由電位端子、合抱式卡片夾頭、液壓模塊等構成。各模塊方案設計如下。

3.1 電位端子

將傳統(tǒng)式對插式結構的電位端子改進成“V型”上頂式結構，將“V型”電位片套裝在雙柱上，雙柱上和高強度彈簧向上頂住“V型”電位片，測量時可使端子與導體接觸牢固，力度一致，解決了兩電位端錯位不準確的問題；雙柱式結構底部固定在箱體內部，并在兩個電位端子處設計了量尺固定卡槽，確保左右兩個電位端子間的距離為一米，有效解決了測量長度不準確對導體直流電阻的影響。并在兩個電位端處設計了量尺固定卡槽，確保了電位端一米的間距準確。

圖1 一種大截面鋁導體直流電阻測試夾具整體結構圖

3.2 合抱式卡片夾頭及液壓模塊

液壓系統(tǒng)設計在了夾頭下方的箱體內部，保證了儀器的美觀性和安全性。左右配裝了兩臺10T液壓系統(tǒng)，分別控制夾頭的升降，根據實際測量經驗及多次試驗分析，將夾頭對導體的夾持力定設定在最佳狀態(tài)（認為等效為壓線鼻子狀態(tài)最佳），尤其對大截面鋁導體的電阻測量有非常顯著的效果，夾頭為全包圍合抱式棱形銅片結構，左右開合范圍直徑10mm～40mm，力度一致，解決了人為加力的大小不一的問題。能滿足最大截面1200mm2導體電阻測量。

表1 測量對比結果

圖2 合抱式卡片夾頭

4 系統(tǒng)測試方案及結果

根據上述大截面鋁導體直流電阻測量環(huán)境條件及對測量試樣的要求，本文中，選取大截面鋁導體（95mm2以上），對使用傳統(tǒng)夾具和使用本文中大截面鋁導體直流電阻測量夾具進行測量的結果進行對比，使用傳統(tǒng)夾具測量試樣有效長度以5m為基數，測量時采用鋁壓接頭（即鋁鼻子）；使用本文設計的大截面鋁導體直流電阻測量夾具時，測量試樣有效長度取1m，測試結果如表1所示。

根據表1中對比結果，可以看出，使用本文提出的大截面鋁導體直流電阻測量夾具，與傳統(tǒng)夾具測量結果相比，測量誤差不超過±0.5%。與此同時，測量試樣長度由5m縮短為1m，使用本文中提出的測量夾具具有的合抱式卡片夾頭，可以取代使用傳統(tǒng)測量夾具測量時采用鋁壓接頭（即鋁鼻子）方式，在保證測量精確的同時，大大提高了工作效率。

5 結論

本文提出了一種大截面鋁導體直流電阻測試夾具，將傳統(tǒng)的電線電纜導體直流電阻測量夾具左右對插式結構改進成單片V型上頂式結構，將電位端的鉗口式接觸方式為單點式接觸，減少測量長度誤差；改進人手夾持模式為自動夾持，提高設備自動化水平和檢測效率；合抱式夾具增大了與導體的接觸面積，從而減小了夾具與被測導體的接觸電阻，降低了導體電阻測量誤差；取代使用傳統(tǒng)測量夾具測量時采用鋁壓接頭（即鋁鼻子）方式，在保證測量精確的同時，大大提高了工作效率。同時，可以取代使用傳統(tǒng)測量夾具測量時采用鋁壓接頭（即鋁鼻子）方式，在保證測量精確的同時，大大提高了工作效率。通過理論分析和實驗驗證，該測試夾具能夠獲得良好的測量效果，在實際工業(yè)生產中具有一定的應用價值。