影響銅導體直流電阻的因素和導體結構優化措施

山東日輝電纜集團有限公司 許 璞 孫慶倫 李衍光 王揚虎 劉朋成 魏海波

GB/T3956-2008《電纜的導體》標準中對于電線電纜的20℃時導體直流電阻做了明確規定；由于中低壓電力電纜價格中導體占比在50%～80%，如何保證導體的生產工藝既經濟又能使導體直流電阻保留裕量，是廣大電線電纜生產企業該下足功夫研究的事情。筆者根據多年線纜行業工作經驗，對電纜導體直流電阻的影響因素及導體優化設計談點淺見。

1 體積電阻率對導體直流電阻的影響

電纜的銅導體材料一般選用GB/T3952-2016《電工用銅線坯》標準中規定的牌號為T1熱軋（M20）狀態、直徑為?8.0mm 的銅線坯作為電纜的導體材料進行規格絲的拉制，或直接采購GB/T3953-2009《電工圓銅線》標準中相應規格的TR 型軟圓銅線進行導體的生產，其中影響電纜導體直流電阻最為關鍵的指標之一就是20℃時的體積電阻率，其標準規定T1（M20）的銅線坯應不大0.017070Ω.mm2/m，TR 型圓銅線的體積電阻率應不大于0.017241Ω.mm2/m。

在導體的生產過程中，同型號、規格的圓銅線體積電阻率越小，其20℃時的導體直流電阻越小。所以，為有效節約用銅量確保導體直流電阻合格圓單線的體積，電阻率是一個最為關鍵的參數，相同結構，體積電阻率不同的圓銅線導體直流電阻檢驗數據對比見表1。

表1 相同結構，體積電阻率不同的圓銅線導體直流電阻檢驗數據對比

2 絞合節徑比對導體直流電阻的影響

節徑比是絞線中單線的節距與該層的外徑之比，節徑比分為理論節徑比和實際節徑比。理論節徑比通常用于結構計算，實際節徑比通常用于工藝計算。實際節徑比的計算公式為：m=h/D；其中h 為絞合節距；D 為絞線外圓直徑。由此可見，絞合節徑比越小，絞入率就越大。

GB/T3956-2008《電纜的導體》標準中將導體結構分為1、2、5、6四種；目的是根據導體的使用場合，保證電纜的電氣性能和機械性能。對于第2、5、6種導體而言為了降低電流的集膚效應和電纜的抗拉強度及耐彎曲性能，均采用了絞合的結構形式，這種結構的單線與單線之間均是以接觸和連通的形式存在，所以會產生接觸電阻（即便是緊壓），絞合節徑比越小接觸電阻就會越大且此電阻要遠大于單線的內部電阻。另外，電纜的導體在輸送電流過程中，電流沿單線的方向進行傳輸，所以絞合節徑比越小，電流傳輸的路徑就越長，導體直流電阻就會隨之增加。

由表2數據匯總數據分析，在導體結構相同，節徑比越小，不僅用銅量增加而且導體直流電阻反而更大。不過值得指出的是，為了保證電纜的機械性能和電氣性能穩定，節徑比也并非越大越好，往往超出一定比例會造成單線松散、位移，從而造成導體直流電阻不穩定，抗拉和耐彎曲性能下降，嚴重時甚至會因為導體松散、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裂。某公司的絞合節徑比工藝設計見表3。

表2 數據匯總

表3 絞合節徑比工藝設計表

3 圓銅線退火質量對體積電阻率和導體直流電阻的影響

眾所周知，退火工序在《電線電纜生產許可證細則》和《電線電纜產品CCC 強制性認證細則》中均被列為關鍵工序，因為退火質量的控制，直接影響圓銅線的狀態（軟和硬），從而影響其體積電阻率和導體直流電阻。

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

根據導體所需單線直徑的不同，一般退火后的圓銅線伸長率應控制在GB/T3953-2009《電工圓銅線》規定值即可滿足體積電阻率的要求。應引起重視的是，雖然伸長率越大體積電阻率和導體直流電阻越好，但也應充分考慮因伸長率過大在后續各工序的生產過程中造成過度拉伸，從而造成成品的導體直流電阻不合格現象的出現。

4 絞線緊壓工藝對導體直流電阻的影響

對于第2種絞合導體，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構型式，緊壓工藝可分一次緊壓和分層緊壓，一般層數越少緊壓程度越高。就緊壓圓形導體而言，緊壓絞線的外徑與同規格的非緊壓外徑相比可縮小8%～10%。其中，7～19根單線構成的絞線外徑可縮小10%左右，37根單線構成的絞線外徑可縮小9.5%左右，61根單線構成的絞線可縮小7%左右。

絞線中的單線經過緊壓后，產生塑性變形和彈性變形，其中塑性變形是主要的，塑性變形的結果一方面使各單線斷面由圓形變成不規則的多邊形，并填充到絞線斷面的縫隙中，另一方面是使單線的長度有所延伸，緊壓的壓力越大，絞線的填充系數就越大，單線的延伸系數也越大，同時導體變硬，電阻有所增加，所以有效控制導體的緊壓系數和填充系數是保證導體電阻合格和用銅量節約的關鍵因素。

某公司生產的1kV 電力電纜一般采用緊壓扇形結構，為了有效控制扇形高度，把導體直流電阻和用銅量控制在合理的工藝規定的最佳范圍，在絞線的合線模和牽引輪中間增加了一臺QJ36電橋，在絞線的初始先進行粗測調整，待牽引過后再取樣在實驗室進行檢測，在調整好軋輪高度的上方螺紋處做好標記，以保證絞線過程中因斷線或其他原因松開軋輪再次緊壓能恢復到原來的高度位置，同時測量扇形高度有無變化。表4為日常檢驗扇形高度不同時的導體直流電阻數據。

表4 檢驗扇形高度不同時的導體直流電阻

5 工藝改進與結構調整

根據上述影響導體直流電阻的種種因素，某公司2022年年初在技術、生產、檢驗、采購等部門的協同下，在以往持續改進的基礎上進一步對導體的工藝進行了優化，首先從采購環節控制所采購的電工用銅線坯的體積電阻率應≤0.01700Ω.mm2/m，優于國家標準規定的≤0.01707Ω.mm2/m。絞合的節徑比在工藝給定的范圍內取上限值。在拉絲退火方面嚴格控制拉絲速度和退火電流，加大了拉絲工序的抽樣頻次，監控好退火電流，每半小時填寫一次監控記錄。在導體的緊壓工藝管控上，嚴格控制扇形高度和緊壓外徑，在絞線的首尾做好導體電阻和結構的檢驗，在絞線的過程中加大緊壓直徑或扇形高度的測量頻次，以保障絞制的過程和開車時調整好的最佳數據一致，從而有效保證電纜相間同截面導體的直流電阻無較大差異。

2022年優化后的非緊壓導體結構設計見表5，緊壓圓形銅導體結構見表6，成型銅導體結構（含瓦形、扇形）見表7。

表5 非緊壓圓形銅導體結構設計

表6 緊壓圓形銅導體結構表

表7 成型銅導體結構表（含扇形、瓦形）

綜上所述，通過日常的檢驗數據分析、倒推，跟蹤了從原材料進廠到生產過程和成品檢驗的全過程。認真剖析了影響導體直流電阻的種種因素，并通過一系列的措施，從根本上保證了導體直流電阻值的穩定，有效確保了銅資源的節約和導體直流電阻符合國家標準規定。

由于受設備精度和繁瑣的生產流程條件的限制，仍有很多不確定因素存在。例如，第一種導體由于受各工序重復收放的單線延伸問題，第二種導體絞合時各放線搖籃放線張力差異問題，極易造成單線的直徑差異，均勻程度不易掌握。導體直流電阻和其他產品質量的控制不是某一部門或某一個人的事情，需要協同相關部門人員集眾所長，同時積極聽取一線員工的意見、建議，認真分析、總結，努力持續改進，才能促使產品質量穩步提升。