淺析導體直流電阻測試系統的影響因素與改進方法

黃思婷

健研檢測集團有限公司 物理設備部，福建廈門，361000

0 引言

導體直流電阻作為電纜產品的一個參數，它的合格與否將直接關系整個電力系統的質量。一般情況下，導體直流電阻越小越好。如果導體直流電阻過大，那么將加劇電力系統的能源消耗。從產品用戶方面來看，導體直流電阻越大，損耗越大，終端設備接收到的電能就越低，所浪費的電量就越多。從生產企業方面來看，導體直流電阻不合格的原因包括：一是銅材料生產廠家使用了銅材料雜質含量過高的銅導體，或者存儲不當造成了銅材料的氧化，而電線電纜生產企業在銅材料進廠時，未進行原材料進貨檢驗；二是企業為了降低生產成本而偷工減料，故意減小導體截面積；三是企業生產過程中的工藝問題，如絞線時張力太緊導致導體截面變細、拉絲工藝退火不合理等情況[1]。由此可見，導體直流電阻數據的正確與否直接影響企業的質量控制，電阻數據準確的情況下，企業可以通過調整生產工藝，在降本增效的同時，保證產品質量，即導體直流電阻測試系統的準確性直接關系著電纜產品的質量。

電線電纜導體直流電阻檢測受設備類型、試樣處理情況、環境溫度和濕度、夾具試驗方法等因素的影響，在檢測過程中會產生誤差[2]。本文結合《額定電壓450∕750V及以下聚氯乙烯絕緣電纜——第2部分：試驗方法》（GB/T5023.2—2008）和《電線電纜電性能試驗方法——第4部分：導體直流電阻試驗》（GB/T 3048.4—2007），選取4mm2聚氯乙烯絕緣銅芯電線（參考阻值為4.372Ω/km）詳細分析導體直流電阻測試中系統各分量對最終結果的影響。

1 測試系統設備的影響

1.1 測試原理

導體直流電阻測試分為電橋法與四線法，其中電橋法又分為單臂電橋和雙臂電橋。

1.1.1 單臂電橋

根據圖1的原理圖，當電橋平衡時，I1×RX=I2×R1，I1×R0=I2×R2。兩式相除可以得出。單臂電橋測量法已消除了電流表內接電阻和外接電阻帶來的測量系統誤差，但導線本身的電阻與接線處的接觸電阻對測量結果仍然會有影響。當測量0.1Ω以下的低電阻時附件的電阻是不能忽略的。

圖1 單臂電橋原理圖

1.1.2 雙臂電橋

根據圖2的原理圖，Rx為被測試電阻，Rn為已知的可調電阻。Rx和Rn各有兩對端鈕，C1和C2、Cn1和Cn2即為兩者的電流端，P1和P2、Pn1和Pn2則為電位端。接線時必須保證被測試電阻Rx只在電位端P1和P2之間，電流端需在電位端外側，以便減少和排除接線電阻和接觸電阻對測量結果產生的影響?？烧{電阻Rn的電流端Cn2與被測試電阻Rx的電流端C2用電阻為r的粗導線連接起來。如圖2所示，R1、R'1、R2和R'2是橋臂電阻，它們的阻值都在10Ω以上，且為同軸電阻，即調節R1或R'2時，R'1和R2也會隨之一起變化。當，接入被測試電阻RX后，調節各橋臂電阻使得電橋可以平衡。此時，因為Ig＝0，可知被測試電阻，這樣消除了r對測量結果的影響。

圖2 雙臂電橋原理圖

雙臂電橋減小附加電阻影響的關鍵在于4端連接，從圖2中可以看出，4端連接是電流端和電位端分接，把各連接部分的導線電阻分別引入檢流計回路或電源支路中。因檢流計回路電阻為大電阻，引入檢流計回路的附加電阻可忽略不計；而引入電源支路的導線電阻和接觸電阻只影響工作電流，不影響電橋平衡，即都不影響RX測量值。

1.2 四線法

四線法是將恒流源IS電流流入被測電阻RX的兩根電流線和電壓表測量端的兩根電壓線分開，使得電壓表測量端的電壓不再是恒流源兩端的直接電壓。如圖3所示，四線法比二線測量法多了兩根饋線，電壓測量端并不和恒流源端直接相連，而是直接連到待測電阻兩端。所以，恒流源與被測電阻RX和饋線尺RL1、RL2構成一個回路。送至電壓測量端的電壓只有RX兩端的電壓，饋線RL1、RL2電壓沒有送至電壓測量端，因此，饋線電阻RL3和RL4對測量結果影響極小。由于電壓表的輸入阻抗遠大于饋線電阻RL1和RL2，饋線電阻RL3和RL4對測量結果影響同樣很小。通過已知電流和測得的電阻兩端的電壓即可得到RX。

圖3 四線法原理圖

1.3 數據分析

通過之前敘述的三種方法，可以得出各自方法下的測量結果。依據《能力驗證結果的統計處理和能力評價指南》（CNAS-GL02：2018）中附錄C測量結果的評定的要求，本次數據分析采用專業標準方法的規定，按下式計算PA值：，式中：XL代表實驗室測量結果，XR代表被測物品的參考值，δ代表規定的允許差。若|PA|≤1，則測量結果滿意，值越小代表偏離越??；若|PA|＞1，則測量結果有誤。

由表2可以看出，四線法測出的數據所偏離的程度最小，其|PA|為0.61，因此導體直流電阻測試系統優先選用四線法。

表1 不同方法下的數據測量結果

表2 不同方法下的數據偏離結果

2 測試系統溫度的影響

2.1 標準要求

試樣應在溫度為15℃～25℃和空氣濕度不大于85%的試驗環境中放置足夠長的時間，在試樣放置和試驗過程中，環境溫度的變化應不超過±1℃。應使用最小刻度為0.1℃的溫度計測量環境溫度，溫度計距離地面應不少于1m，距離墻面應不少于10cm，距離試樣應不超過1m，且二者應大致在同一高度，并應避免受到熱輻射和空氣對流的影響。

2.2 控制措施

在保證待測樣品的質量、測試設備、夾具、通過電流等條件不變的情況下，測試系統所在環境的溫度對測試結果有著重要影響。通過試驗數據可以看出，測試系統溫度變化下，導體直流電阻測試結果也隨之變化，如圖4所示。因此，想要得到精確的導體直流電阻數值，就要精準控制測試系統所在環境的溫度，以降低溫度對試驗示值的影響。同時，樣品必須提前在恒溫恒濕的空間內放置4小時，并保證檢測試驗時溫度穩定，以防止由于溫度發生誤判的情況[3]。

圖4 導體直流電阻示值與溫度的關系曲線

根據要求，測試系統的環境溫度為15℃～25℃，且變化應不超過±1℃。因此，在測試系統E所在區域進行溫度監控，如圖5所示。

圖5 導體直流電阻測試系統溫度測點示意圖

2.3 數據分析

通過靜態數據采集儀，對環境進行監控，可得出溫度的平均值及波動度。通過導體直流電阻公式可知，當，當所監控的溫度越接近實際溫度時，測量結果越準確。

由圖6及圖7的測點數據與曲線圖可以看出，測試系統的環境溫度波動符合標準要求。

圖6 導體直流電阻測試系統環境溫度監控數據

圖7 導體直流電阻測試系統環境溫度監控曲線

3 測試人員的影響

導體直流電阻測試系統依靠人員去操作，人員的因素應該第一時間被重視。測試人員對自己的定位，以及人員自己的質量意識是非常重要的，人員是否經過專業培訓、對測試系統原理是否了解、操作流程與數據處理是否合規，決定了導體直流電阻測試系統的可信度。作為整個測試系統的關鍵一環，人員需要具備以下四點：即“正、明、管、學”。

“正”指的是測試系統人員的自身素質，需要清正廉明，這是最基本的要求，后三項要求建立在此基礎上。人員自身素質不高，不僅對測試結果有影響，而且嚴重損害公司利益，情節嚴重的會導致公司發生信用危機?！懊鳌敝傅氖菧y試系統人員擁有明確的檢測意識，清楚了解相關標準的方法、評定指標、結果處理以及質量控制等?；鶎訂T工的質量意識提升是整個測試系統的關鍵之一，也是質量管理事半功倍的關鍵?！肮堋敝傅氖菧y試系統人員要對所分管的儀器設備進行管理。設備的精度、準確度直接影響測試結果的不確定度，因此儀器設備定期維護保養以及校準檢定顯得尤為重要?！皩W”指的是測試系統人員要持續學習先進技術?，F如今科技飛速發展，產品更新換代速度加快，導致檢測檢驗技術也不斷更新，因此測試系統的人員為了提高檢測質量，就要積極持續學習先進技術，拓寬眼界。

4 試樣預處理的影響

設備材料入場后避免不了堆積的現象，電線電纜絞合結構的導線芯將會直接暴露在空氣中，長時間容易導致氧化發生，導線芯氧化產生的電阻率會超過導體值[4]。由此，在對電纜類產品接入導體直流電阻測試系統前，需要用浸濕水的棉布擦拭所送檢的樣品表面，去除附著物、污穢和油垢[5]。而被試樣品與測試系統相連接部位的覆蓋物也應小心去除，防止損傷導體本身。

5 結語

系統中的設備、溫度及人員是導體直流電阻測試系統的主要影響因素，必須引起足夠的重視。本文通過比對分析發現，采用高精度設備可以大大消除測試系統的誤差，并且結合環境監控與人員培訓，正確處理樣品，就可準確可靠地開展導體直流電阻測試，提高結果的可信度，保證測試系統位于有效的質量控制之中。