换位导线直流电阻测量的数据分析与评估.docx
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换位导线直流电阻测量的数据分析与评估
换位导线直流电阻的数据分析与评估
朱建新国网电力科学研究院(武汉430074)
朱淙淙国网电力科学研究院(武汉430074)
摘要
换位导线的直流电阻是大型输变电设备电气性能的重要设计参数。
本文由换位导线中的单股电磁线直流电阻的测量,以及对集束电磁线直流电阻的离差数据分析,同时建立与之关联的热效应分析,提出了换位导线“1km直流电阻离差”和质量控制中的“直流电阻离差控制范围”,以期对换位导线的加工整理实现必要的精细化控制。
关键词:
质量换位导线电阻
AssessedtheQualityofTransposedCondoctorDependingon
theResistorsmeasuredbyD.C
Zhujian-xin(WUHAN430074)
Zhucong-cong(WUHAN430074)
Abstract:
TheD.Cresistorofwiresoftransporedcondoctorisoneofimportantparameterinthedesignofwhichlargerpowertransformers.BecauseItisnotbeenignorableforthedeviationofresistorbetweenwiresbytheanalysiscalorificeffect,sothatitisveryimportantforustowinthequalityoftransporedcondoctorbythewaystobecontrolledthedeviationof1kmresistor,andthetolerancelimitsworldbesmallerthen2%.
Keywords:
Quality;TransposedCondoctor;Resistors
换位导线直流电阻的测量与质量评估
朱淙淙国网电力科学研究院(武汉430074)
朱建新国网电力科学研究院(武汉430074)
前言
随着我国输变电建设的高速发展,输变电设备的电压和单台/机容量也不断提升。
作为其生产所必须的换位电磁线也得到了广泛而大量的使用。
经过各大型电力变压器制造厂商十余年的推动,目前我国具有年产万吨以上换位电磁线加工生产能力的制造厂商已达近十家;不但可以生产各种规格、不同绝缘等级的纸包、漆包和组合导线;同时换位导线的生产能力,其中特别是自粘性换位导线和网包换位导线的生产能力得到了快速的提升;已具备年产5000吨换位导线加工生产能力的制造厂商有6家。
单缆换位导线的最大股数已经可以做到81股。
国内不少电磁线厂生产的换位导线,不仅可以提供国内大型输变电设备的生产需要,而且出口国外,成为一些国际知名输变电设备制造商的指定材料供应商。
我国的特高压、超高压工程(400MVA/AC1000kV;334MVA/DC800kV;500MVA/AC750kV)项目的实施,单相电流已经达到4900~6300A;可以预见的是,在即将实施的交流1200MVA/1000kV变压器中,单相低压线圈采用的集束(换位)导线的股数将接近或超过580股。
这些都要求换位导线的供应商,不光在规格、数量和交货期上满足工程建设的需要;同时在换位导线的质量和品质的控制上要有相应的提升。
与电磁线加工工艺过程控制密切相关的电磁线直流电阻,需要有更高的要求。
1.换位导线直流电阻与整理工艺的关系
电磁线(换位导线)的整理过程可以简单地用图1描述。
涉及换位导线的直流电阻阻值及其均匀性的加工工艺过程主要包括在以下几个方面:
1)电解铜的材质熔炼和真空引拔
,是对电磁线直流电阻控制的第一阶段。
采用不同产地(不同
批次的)的电解铜,其中的金相成份都会在一定的幅度内变化。
铜中金相成份的不同及其比例关系差异不光影响电磁线的加工工艺性能和品质,同时也影响着电磁线加工成品电阻率的大小。
在我国的电磁线加工行业中,拥有原铜熔炼和真空引拔装备的厂家,主要通过铜期货贸易的方式获取进口电解铜(即智利铜),同时使用的也有国产“江西铜”和“云南铜”。
这些厂家除了采用“碳-
图1换位电磁线主要整理工艺流程
吸附”的方式进行简单的脱氧工艺处理外,鲜有能够自主控制原料铜中金相成份的能力。
而采用外购无氧铜杆整理电磁线的厂家,对于其铜圆材料的原铜和金相成份则处于失控的状态。
2)铜圆模具冷轧或模具拉拔
冷轧工艺要求级连的冷轧模具轧辊之间的的传动衔接准确,细小的轧辊表面缺陷和衔接偏差就会
造成铜型材的夹层和表面均匀性缺陷。
成型控制相对简单,通常会用在铜形材的粗制成型中。
拉拔工艺过程的工装条件相对简单,但是在拉拔加工过程中形成的模具孔径的变化△M(如图2所示),会造成大量模具耗损,对拉拔丝孔模具的加工和配套的能力要求高,否则难以满足大批量、多规格电磁线的加工精度要求和客户供货的时效需求。
拉拔工艺相对于冷轧工艺而言,在更换型模模具的时候必须要对型材“断线”,同时在加工过程中需要对模具的孔径变化进行随时的监控,以保证线材的规格尺寸符合要求。
图2拔丝模具随线材加工长度L和使用时间t模具孔径变化示意图
线缆的直流电阻通常以公式
来表示,当拔丝模具孔径发生变化,对电磁线的直流电阻的变化范围有着不可忽略的影响。
显而易见:
即便原铜材质优良,拔丝孔模具在拉拔工艺过程中,也需要及时严格地控制摸具尺寸在有限的变化范围之中。
3)拔丝型材的表面硬化工艺
为了提高电磁线承受机械应力的能力,在电磁线的加工过程中通常是采用数个倒线轮的速度差来
实现电磁线的“非比例延伸强度Rσ0.2”。
这种倒线轮之间张力的一致性和均匀性,直接影响着电磁线表面分子晶格的结构的均匀一致,对电磁线的直流电阻会产生特定的工艺影响。
4)焊接工艺过程
虽然多数换位电磁线订货合同约定:
成缆的电磁线产品各股线不得含有“中间焊点接头”。
但是
受换位线成缆机械单股线轴盘重的限制和超长线缆的需求,换位导线在成缆的过程中难免存在中间“焊接接头”。
这种焊接接头的多少、各股线之间中间接头的均匀性、焊接工艺的统一性、焊料的种类和均匀性都直接影响着单股电磁线的直流电阻。
5)加工形变和线材伤损
换位导线的加工过程中,“S弯”的成型主要采用“线性推头”、“滑轴式推头”和“摆轮轴式推头”。
由于机械加工过程中的进动推压,对电磁线“S弯”处的窄边(b)可能产生不同程度的伤损和变形。
线性推头——以气动或蜗轮杆带动推头垂直于线材收(放)线方向,推动(或击打)电磁线成“S弯”。
线性推头对于换位节距的调节相对简单;单一推头可以适合多种规格的“S弯”成型,尤其是小换位节距的换位电磁线的加工。
当推头的进动速度过快,会对被加工线材表面造成“击打”变形的效果;推头的进动速度过慢,容易形成推头与被加工线材线之间的“刚性磨擦”。
同时线性推头也不适合加工表面硬度高的线材,加工过程中的噪声也大。
滑轴推头——滑轴推头是在线性推头的顶端加装一个滚珠轴承,用以降低推头与被加工线材线形的“刚性磨擦”。
但是“S弯”的成型工艺性能和换位节距的调节受到可选用滚珠轴承外径的影响。
摆轮轴式推头——摆轮轴式推头是以“自旋转”的方式,将被加工线材平滑地“推送”形成换位“S弯”。
摆轮轴式推头“自旋转”的进动方向与换位电磁线收(放)线方向一致,故推头与被加工线材线之间的“刚性磨擦”明显减小,外观质量属于目前最上乘的一种加工方式。
但是“摆轮轴式推头”对不同规格的“S弯”的加工适用性较差,更换调整推头的技术比较复杂。
2.换位导线直流电阻的测量数据分析
从上述换位导线的加工工艺过程,我们可以了解到:
直流电阻是电磁线材质和加工工艺控制水平的直接体现。
但是目前在电磁线的制造全过程中,单股电磁线的直流电阻测量只是作为生产过程中的控制手段,而在换位电磁线的成品试验中,各股直流电阻测量只做“通—断”验证试验。
由于换位电磁线的整理工艺相对复杂,对于后续的电工设备设计而言,与设备绝缘的热性能和电性能密切相关联的直流电阻,仅在成品试验中以直流电阻的“通—断”试验来体现,显得过于的简化了。
对于成缆换位电磁线这样一种“集束”的电磁线而言,实际的“集束”换位电磁线中单股最大、最小直流电阻是多少?
最大、最小直流电阻各自发热效应的比率关系是多少?
“集束”换位电磁线是否需要控制单股电磁线的最大离差?
对于有着数百股的“集束”换位电磁线而言,这些不是采用简单的平均直流电阻所能解释的。
表1中例举了9种规格不同、标称长度不同的换位电磁线各股直流电阻的测量及分析结果。
表1常用规格换位电磁线直流电阻的测量及分析
样本
测算内容
样本1
样本2
样本3
样本4
样本5
样本6
样本7
样本8
样本9
标称线缆长度m
3688
617
2758
1108
2447
1240
225
883
532
线规mm
1.6×6.3
1.7×6.0
1.12×4.0
1.4×7.5
1.4×7.0
1.6×8.0
1.9×10.0
1.45×7.5
1.76×9.0
线缆股数
13
17
11
21
19
23
19
17
21
每股电阻之和Ω
86.567
17.030
127.60
40.798
86.823
39.895
3.773
25.365
12.776
单股最大电阻Ω
6.684
1.003
11.720
1.948
4.598
1.745
0.199
1.514
0.614
单股最小电阻Ω
6.632
1.001
11.500
1.930
4.503
1.721
0.198
1.467
0.600
各股电阻平均值Ω
6.6590
1.0018
11.600
1.9428
4.5696
1.7346
0.1986
1.4921
0.6084
最大电阻正偏差%
0.38
0.07
1.03
0.24
0.62
0.60
0.15
1.47
0.84
最大电阻负偏差%
-0.41
-0.08
-0.86
-0.64
-1.46
-0.78
-0.30
-1.68
-1.38
标称长度下
电阻离差%
0.78
0.15
1.90
0.89
2.08
1.38
0.45
3.15
2.22
标称长度(缆)等效
电阻(计算)值Ω
0.51223
0.05893
1.05455
0.09251
0.24051
0.07542
0.01045
0.08777
0.02897
1km缆线
平均电阻值Ω
0.13889
0.09551
0.38236
0.08349
0.09829
0.06082
0.04645
0.09940
0.05446
1km缆线电阻
平均离差%
0.21
0.24
0.69
0.80
0.85
1.12
2.01
3.57
4.17
标称缆长最大
热效应增量△Q%
1.56
0.30
3.79
1.77
4.18
2.77
0.91
6.31
4.45
1km缆线最大
热效应增量△Q%
0.42
0.49
1.37
1.60
1.71
2.23
4.03
7.14
8.37
图3换位电磁线实际直流电阻阻值测量分布概略图
由换位导线直流电阻实际测量得到如图3所示的概略分布图。
其可以分为线性、上凸和下凹三种形态。
三种电阻测量分布形态下的直流电阻平均值即使在最大电阻和最小电阻一致的情况下也会各不相同。
当然各自的发热量也就不同了,因此有必要对实际所测得的,反映不同的工艺缺陷控制水平的“换位导线直流电阻”进行离散程度与发热关系的分析。
为了对表1中各参数分析理解的便利,对涉及表中各相关数据的名词作了如下的约定:
单股最大直流电阻Rmax——(标称长度)换位电磁线中单股最大直流电阻;
;
单股最小直流电阻Rmin——(标称长度)换位电磁线中单股最小直流电阻;
;
直流电阻平均值Ravr——(标称长度)换位电磁线中所有单股直流电阻之和的平均值;
;
最大电阻正偏差+△Rmax(%)——(标称长度)换位电磁线束中最大电阻与该换位导线束平均电阻的正向离散程度;
;
最大电阻负偏差-△Rmax(%)——(标称长度)换位电磁线束中最大电阻与该换位导线束平均电阻的负向离散程度;
;
直流电阻离散偏差:
△R(%)——(标称长度)换位电磁线束中,电磁线单股最大电阻与最小电阻之差与该束换位电磁线平均直流电阻的百分比关系;
△R(%)=(Rmax-Rmin)×102/Ravr;
标称长度(缆)等效电阻(计算)值
——(标称长度)换位电磁线束中,直流电阻平均值与电磁线股数之比,
N—成缆换位电磁线中的股数;
;
标称长度(缆)最大热效应增量△Q(%)
——(标称长度)换位电磁线束中,发热量与电流的平方成正比;公式表示股线束中最大和最小发热量之间的比率关系;
△Q(%)=[R-2min-R-2max)]×RmaxRmin×102
由于各种规格的换位电磁线线缆的标称长度不一致,难以对上述各个量值作“线性”量化比较,故对上述各参数统一规划到1km长度作比较。
具体折算方式如下:
1km缆线平均电阻值R1km.avr=Ravr×103/L;L—标称成缆换位电磁线的长度m(以下类同);
1km缆线平均直流电阻离散偏差:
△R1km(%)=△R(%)×103/L
1km缆线平均最大热效应增量△Q1km(%)=△Q(%)×103/L
通过对表1中各参数的测算分析,可以看出:
1)多数换位电磁线股间直流电阻的离散偏差可以控制在2%以下,以离散偏差控制在1%以下为优。
少数换位电磁线股间直流电阻的离散偏差过大,其最大热效应增量可以达到6.31~8.37%,这是不可忽略的实际情况,可能使单股电磁线在运行条件下产生比较严重的发热不均衡。
2)考虑到电磁线的具体工作环境,如在变压器的设计中,线圈在非对称漏磁通的作用下,电磁线股间热失衡的作用还要更加严重。
因此在电磁线加工和大容量输变电设备的设计过程中,需要对电磁线股间直流电阻的离散偏差进行更为细致的考量。
既要考虑换位导线的“标称长度离散偏差”,以此来判定具体的发热效应的影响程度;同时也要考虑“1km导线离散偏差”以分析加工过程中的质量控制效果。
同时,“换位导线离散偏差”的分析可以作为换位导线中缺陷的先期判断依据。
3)由于股间直流电阻的离散偏差偏大,可能将机电设备设计中的“预留发热裕度”抵消,从而降低材料的耐热能力和设备的热寿命。
也可能由于这种直流电阻的离散偏差偏大,在设计中需要预留更大的“发热裕度”,从而造成设备材料的浪费,生产和购置成本的提高。
4)对于不同线径、不同长度、不同用途、不同热环境和热寿命需求的设备,所采用的电磁线股间直流电阻离散偏差的控制范围,需要根据实际的工况要求有针对性地加以确定。
3.换位电磁线直流电阻的测量与测量误差控制
由于成品换位电磁线的直流电阻测量在以往的行业标准中未作要求。
因此,在实际的测量过程中,除了对电磁线长度计量精度、使用仪器仪表、测量方法等需要执行相关的技术标准外,建议在针对换位电磁线直流电阻的测量中,还需要注意以下几个方面的问题:
1)对电磁线长度精确计量和标识的要求
在换位电磁线的制造过程中,建议采用精确标记和记录的方法。
即:
电磁线精确计米(m)+首端(盘内侧m)/尾端(盘外侧m)
如:
3215+1.5/2.5m表示盘内防护妥善的电磁线长度为3215m;盘内侧留线长1.5m;盘外侧留
线长2.5m。
预留线长的起始/终止点以带有生产批号、线规和操作人的色标胶粘标签标识,首端留长(盘内)的外露长度应不少于0.25m,且应妥善固定作好包扎防护。
2)对使用仪表的要求
换位电磁线直流电阻的测量应采用测量精度为0.2级的双臂电桥或满足测量精度要求的测量有效
位数为四位以上的快速数显电桥。
使用的电桥应该在计量检测的有效期内。
3)对测量方法的要求
被测量的换位电磁线,应优先考虑以草酸浸泡使漆膜溶胀的方式进行脱漆;首端脱漆长度不少于
50mm;尾端脱漆长度不少于100mm。
且不得以锉刀和砂纸进行电磁线的脱漆处理,以免损伤破坏电磁线的有效截面和避免金属异物的污染。
每股线以胶粘标签标识逐一编号;测点位于脱漆部位的中部。
测试结束,所有线束应可靠绑扎并作好防护,以免划伤电磁线的漆、纸绝缘。
结束语
当前换位电磁线的旺盛需求,要求电磁线制造厂和采购厂商、终端用户对电磁线提出并采用合符加工工艺要求、满足设计性能参数的换位电磁线质量控制指标。
对成品换位电磁线进行直流电阻的测量,并对其数据进行离散分析,可以准确地评估换位电磁线的加工工艺控制水平和导电性能,同时可以及时地发现其内部缺陷的性质。
通过对不同规格的换位电磁线质量品质的规范,采用价格分级分类的措施,促进我国的电磁线生产行业向精细控制,优质优价的方向发展,杜绝低劣的电磁线产品进入电力设备的生产过程中。
整理简介
朱建新男1957-07-29湖北江陵
国网电力科学研究院(武汉430074)高级工程师
多次承担执行国内、外大型电力变压器质量检测;现场监造;参与大型电力变压器现场事故分析;对采用FRA测量技术分析变压器绕组变形、高压油纸套管内部早期内部缺陷的分析判断及变压器多点接地故障的针对性分析处置有独到心得。
朱淙淙女1987-09-06湖北武汉
国网电力科学研究院(武汉430074)助理工程师
国网电力科学研究院ERP项目推进技术骨干;参与低压电器质量检测及电磁线参数的技术分析
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