浅析导体直流电阻测试系统的影响因素与改进方法

黄思婷

健研检测集团有限公司 物理设备部，福建厦门，361000

0 引言

导体直流电阻作为电缆产品的一个参数，它的合格与否将直接关系整个电力系统的质量。一般情况下，导体直流电阻越小越好。如果导体直流电阻过大，那么将加剧电力系统的能源消耗。从产品用户方面来看，导体直流电阻越大，损耗越大，终端设备接收到的电能就越低，所浪费的电量就越多。从生产企业方面来看，导体直流电阻不合格的原因包括：一是铜材料生产厂家使用了铜材料杂质含量过高的铜导体，或者存储不当造成了铜材料的氧化，而电线电缆生产企业在铜材料进厂时，未进行原材料进货检验；二是企业为了降低生产成本而偷工减料，故意减小导体截面积；三是企业生产过程中的工艺问题，如绞线时张力太紧导致导体截面变细、拉丝工艺退火不合理等情况[1]。由此可见，导体直流电阻数据的正确与否直接影响企业的质量控制，电阻数据准确的情况下，企业可以通过调整生产工艺，在降本增效的同时，保证产品质量，即导体直流电阻测试系统的准确性直接关系着电缆产品的质量。

电线电缆导体直流电阻检测受设备类型、试样处理情况、环境温度和湿度、夹具试验方法等因素的影响，在检测过程中会产生误差[2]。本文结合《额定电压450∕750V及以下聚氯乙烯绝缘电缆——第2部分：试验方法》（GB/T5023.2—2008）和《电线电缆电性能试验方法——第4部分：导体直流电阻试验》（GB/T 3048.4—2007），选取4mm2聚氯乙烯绝缘铜芯电线（参考阻值为4.372Ω/km）详细分析导体直流电阻测试中系统各分量对最终结果的影响。

1 测试系统设备的影响

1.1 测试原理

导体直流电阻测试分为电桥法与四线法，其中电桥法又分为单臂电桥和双臂电桥。

1.1.1 单臂电桥

根据图1的原理图，当电桥平衡时，I1×RX=I2×R1，I1×R0=I2×R2。两式相除可以得出。单臂电桥测量法已消除了电流表内接电阻和外接电阻带来的测量系统误差，但导线本身的电阻与接线处的接触电阻对测量结果仍然会有影响。当测量0.1Ω以下的低电阻时附件的电阻是不能忽略的。

图1 单臂电桥原理图

1.1.2 双臂电桥

根据图2的原理图，Rx为被测试电阻，Rn为已知的可调电阻。Rx和Rn各有两对端钮，C1和C2、Cn1和Cn2即为两者的电流端，P1和P2、Pn1和Pn2则为电位端。接线时必须保证被测试电阻Rx只在电位端P1和P2之间，电流端需在电位端外侧，以便减少和排除接线电阻和接触电阻对测量结果产生的影响。可调电阻Rn的电流端Cn2与被测试电阻Rx的电流端C2用电阻为r的粗导线连接起来。如图2所示，R1、R'1、R2和R'2是桥臂电阻，它们的阻值都在10Ω以上，且为同轴电阻，即调节R1或R'2时，R'1和R2也会随之一起变化。当，接入被测试电阻RX后，调节各桥臂电阻使得电桥可以平衡。此时，因为Ig＝0，可知被测试电阻，这样消除了r对测量结果的影响。

图2 双臂电桥原理图

双臂电桥减小附加电阻影响的关键在于4端连接，从图2中可以看出，4端连接是电流端和电位端分接，把各连接部分的导线电阻分别引入检流计回路或电源支路中。因检流计回路电阻为大电阻，引入检流计回路的附加电阻可忽略不计；而引入电源支路的导线电阻和接触电阻只影响工作电流，不影响电桥平衡，即都不影响RX测量值。

1.2 四线法

四线法是将恒流源IS电流流入被测电阻RX的两根电流线和电压表测量端的两根电压线分开，使得电压表测量端的电压不再是恒流源两端的直接电压。如图3所示，四线法比二线测量法多了两根馈线，电压测量端并不和恒流源端直接相连，而是直接连到待测电阻两端。所以，恒流源与被测电阻RX和馈线尺RL1、RL2构成一个回路。送至电压测量端的电压只有RX两端的电压，馈线RL1、RL2电压没有送至电压测量端，因此，馈线电阻RL3和RL4对测量结果影响极小。由于电压表的输入阻抗远大于馈线电阻RL1和RL2，馈线电阻RL3和RL4对测量结果影响同样很小。通过已知电流和测得的电阻两端的电压即可得到RX。

图3 四线法原理图

1.3 数据分析

通过之前叙述的三种方法，可以得出各自方法下的测量结果。依据《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》（CNAS-GL02：2018）中附录C测量结果的评定的要求，本次数据分析采用专业标准方法的规定，按下式计算PA值：，式中：XL代表实验室测量结果，XR代表被测物品的参考值，δ代表规定的允许差。若|PA|≤1，则测量结果满意，值越小代表偏离越小；若|PA|＞1，则测量结果有误。

由表2可以看出，四线法测出的数据所偏离的程度最小，其|PA|为0.61，因此导体直流电阻测试系统优先选用四线法。

表1 不同方法下的数据测量结果

表2 不同方法下的数据偏离结果

2 测试系统温度的影响

2.1 标准要求

试样应在温度为15℃～25℃和空气湿度不大于85%的试验环境中放置足够长的时间，在试样放置和试验过程中，环境温度的变化应不超过±1℃。应使用最小刻度为0.1℃的温度计测量环境温度，温度计距离地面应不少于1m，距离墙面应不少于10cm，距离试样应不超过1m，且二者应大致在同一高度，并应避免受到热辐射和空气对流的影响。

2.2 控制措施

在保证待测样品的质量、测试设备、夹具、通过电流等条件不变的情况下，测试系统所在环境的温度对测试结果有着重要影响。通过试验数据可以看出，测试系统温度变化下，导体直流电阻测试结果也随之变化，如图4所示。因此，想要得到精确的导体直流电阻数值，就要精准控制测试系统所在环境的温度，以降低温度对试验示值的影响。同时，样品必须提前在恒温恒湿的空间内放置4小时，并保证检测试验时温度稳定，以防止由于温度发生误判的情况[3]。

图4 导体直流电阻示值与温度的关系曲线

根据要求，测试系统的环境温度为15℃～25℃，且变化应不超过±1℃。因此，在测试系统E所在区域进行温度监控，如图5所示。

图5 导体直流电阻测试系统温度测点示意图

2.3 数据分析

通过静态数据采集仪，对环境进行监控，可得出温度的平均值及波动度。通过导体直流电阻公式可知，当，当所监控的温度越接近实际温度时，测量结果越准确。

由图6及图7的测点数据与曲线图可以看出，测试系统的环境温度波动符合标准要求。

图6 导体直流电阻测试系统环境温度监控数据

图7 导体直流电阻测试系统环境温度监控曲线

3 测试人员的影响

导体直流电阻测试系统依靠人员去操作，人员的因素应该第一时间被重视。测试人员对自己的定位，以及人员自己的质量意识是非常重要的，人员是否经过专业培训、对测试系统原理是否了解、操作流程与数据处理是否合规，决定了导体直流电阻测试系统的可信度。作为整个测试系统的关键一环，人员需要具备以下四点：即“正、明、管、学”。

“正”指的是测试系统人员的自身素质，需要清正廉明，这是最基本的要求，后三项要求建立在此基础上。人员自身素质不高，不仅对测试结果有影响，而且严重损害公司利益，情节严重的会导致公司发生信用危机。“明”指的是测试系统人员拥有明确的检测意识，清楚了解相关标准的方法、评定指标、结果处理以及质量控制等。基层员工的质量意识提升是整个测试系统的关键之一，也是质量管理事半功倍的关键。“管”指的是测试系统人员要对所分管的仪器设备进行管理。设备的精度、准确度直接影响测试结果的不确定度，因此仪器设备定期维护保养以及校准检定显得尤为重要。“学”指的是测试系统人员要持续学习先进技术。现如今科技飞速发展，产品更新换代速度加快，导致检测检验技术也不断更新，因此测试系统的人员为了提高检测质量，就要积极持续学习先进技术，拓宽眼界。

4 试样预处理的影响

设备材料入场后避免不了堆积的现象，电线电缆绞合结构的导线芯将会直接暴露在空气中，长时间容易导致氧化发生，导线芯氧化产生的电阻率会超过导体值[4]。由此，在对电缆类产品接入导体直流电阻测试系统前，需要用浸湿水的棉布擦拭所送检的样品表面，去除附着物、污秽和油垢[5]。而被试样品与测试系统相连接部位的覆盖物也应小心去除，防止损伤导体本身。

5 结语

系统中的设备、温度及人员是导体直流电阻测试系统的主要影响因素，必须引起足够的重视。本文通过比对分析发现，采用高精度设备可以大大消除测试系统的误差，并且结合环境监控与人员培训，正确处理样品，就可准确可靠地开展导体直流电阻测试，提高结果的可信度，保证测试系统位于有效的质量控制之中。