大型核电发电机用铜和铜合金材料的
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摘 要： 主要介绍数字电流电压法和涡流法，作为大型核电发电机所用铜和铜合金材料电阻率测试的两种常用方法，以及测试技术、影响因素和对比实验。
关键词： 核电发电机所用铜和铜合金材料；数字电流电压法；涡流法；电阻率测试
0 引言
大型核电发电机所用铜和铜合金材料等导电材料的电阻率的大小是衡量发电机线圈及其导电性能好坏的重要参数，并且直接影响核电发电机定转子的制造质量。因此铜和铜合金等导电材料进厂后，对其电阻率进行检测是非常重要的一个环节。由于铜和铜合金材料的电阻值R≤1mΩ，截面形状各不相同且不规则，针对这些材料，采用不同的方法来测试其电阻率，以保证测试数据的可靠性和准确性。本文所介绍的数字电流电压法和涡流法就是主要的两种测试方法。
1 数字电流电压法
1.1 测试原理
将测试样件放在精密恒温油槽中，当温度自动控制在一定值时，将直流恒流电流加在被测样件上，用双通道的2182数字纳伏表，测试出样件所通过的直流电流和直流电压。原理如图1：
图1 数字电流电压法测试原理图
经过多次测试，可由下面公式计算出被测试样件在标准温度t0时的平均电阻值：
U（t0）-被测试样件在标准温度20℃时的直流电压（V）；
I（t0）-被测试样件在标准温度20℃时的直流电流（A）。
测试系统根据计算出的样件截面积A，计算出其体积电阻率：
当在温度t时，测试系统ρ（t0）按下式计算校准体积电阻率：
即ρ（t0）=ρ（t）-6.8×10-11（t-t0）
最后，测试系统计算出测试样件在20℃时的体积导电率百分值ψ：
1.2 截面积的计算方法
根据《GB/T 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》的规定，样件必须平直，横截面均匀一致，不应有裂纹、凹坑等缺陷。但在实际加工过程中，加工出来的样件往往不呈理想的均匀截面，因而影响了尺寸的测量，导致测量误差，其中由材料截面积引起的测量误差最大。如何准确测量截面积，是测定样件电阻率是否准确的关键因素之一。通常以测量样件的总重量、总长度和密度，来综合计算出平均截面积。
1.2.1 简单截面积试样计算
简单截面样件的截面积可以通过线性截面积计算出。测定尺寸时，用符合测量范围的游标卡尺，从标距长度，以大约相等间距分5次以上所测得的横截面，计算出算数平均值，平均值的标准偏差不超过±0.15%。
1.2.2 复杂截面积试样计算
对于形状不规则、比较复杂的样件，当直接测量所计算出的平均截面积的误差超过±0.15%时，则采用称重法计算截面积，按如下公式：
式中： -样件质量，单位为克（g）；
-试验温度t时的样件的总长，单位为米（m）；
-试验温度t时的样件密度，单位为千克每立方米（kg/m3）。
1.3 影响测试电阻率的因素和消除方法
1.3.1 温度的影响
一般材料的电阻值随环境温度的升高而减小。温度升高，载流子的运动速率加快，介质材料的吸收电流和电导电流会相应增加，因此测量材料的电阻时，导电材料的电阻系数是很大的，电阻及线性尺寸都随温度而变化，这就需要把测试的数据进行温度修正，即将试验温度时所测得的数据换算到标准温度20℃，利用温度系数来计算20℃时的体积电阻率：
式中： -20℃时被测样件的体积电阻率；
-实验温度t时样件的体积电阻率；
-20℃时样件的电阻温度系数。
-样件线膨胀系数
1.3.2 装置接触电势及热电势的影响
样件和实验装置由于温度不同、材质不同，在接触点会产生接触电势及热电势。为了补偿热电势的影响，采用电流反向法测试，在正向测试电流之下得到一个电压读数，再在负向测试电流之下得到另一个电压读数，将这两个电压读数的绝对值进行平均。
1.3.3 试验电流的影响
在测量中施加电流的问题应综合考虑，在满足系统灵敏度的情况下，选择较小的电流，能减少电流过大导致导体发热对测量结果的带来误差影响。为防止电流过大引起导体升温，对于微导体电阻进行测量做了如下规定：
铝导体电流密度≤0.5A/mm2，铜导体电流密度≤1.0A/mm2。
1.3.4 试验夹具的影响
由于长期使用，夹具电压端子的接触点不断磨损，接触点逐渐变为一个平面，实际上就缩短了有效测量长度，从而影响测量结果的准确性。因此为保证刀刃尖锐锋利，使用一段时间后对夹具要及时检查、磨削或更换，同时保证夹具的两电位端要互相平行并垂直于样件纵轴，其接触点必须加工成锐利的刀刃形或针状形，每个电位端接点与相应的电流端接点之间的距离不能小于样件截面周长的1.5倍。
1.4 测试程序
程序设计采用Visual Basic语言编制，由于它的可视化程度极高，因而使得测试系统的工作界面操作非常容易，整个测试过程操作者只需按钮及可完成，大大提高了测试精度和工作效率。测试前，将2182数字纳伏表通过GPIB接口卡与电脑相连。当2182数字纳伏表联机成功后，试样的截面积和有效长度由操作者输入，输入完数系统自动进入下一个测试状态。见图2。
图2 测试程序流程图
2 涡流法测试法
2.1 涡流法测试原理
图3 涡流法测试原理
将通有高频交流电的线圈置于待测的金属板上或套在待测的金属管外（见图），线圈内及其附近将产生交变磁场，样件中将产生旋涡状的感应交变电流，俗称涡流。感应涡流的磁场反作用于线圈，这种反作用的大小与导体表面及近表面的导电率有关，通过涡流导电仪可直接测量非磁性导体的导电率。原理如图3。
2.2 测试方法
测试时先对电导仪进行预热及调试操作，用探头平稳地置于导电率约为100%I.A.C.S的标准样块中心部位上，校准标准样块的导电率，然后根据试件大小、形状及测试面，选择3个及以上的测试点对样件本体直接进行测量，所测数据与标准样块的数据相比较，判定是否合格。
2.3 影响导电率的因素和消除方法
2.3.1 测试厚度的影响
因变化磁场而感应的涡流主要集中在导体表面，这种现象称为趋肤效应，其涡流密度随着深度在样件内呈规律衰减，当涡流密度为表面的1/e时的深度称为趋肤深度。测量导电率用的探头为表面式线圈，在试件内感应出的涡流流动路径平行于试样表面，因此只要材料厚度大于有效趋肤深度时，就可以用涡流法在材料表面直接进行导电率测量。对于非铁磁性材料，其趋肤深度可用公式表示为：
式中： -趋肤深度（mm）；
-材料的电阻率，μΩ.cm；
-测量频率，Hz。
下表是常用不同导电率的样件采用不同频率检测时所对应的标准渗透深度及最小样件厚度。
2.3.2 叠加层的影响
当样件厚度小于有效渗透深度时，可多层叠加后再进行导电率检测。但层与层之间的叠加难以保证紧贴，层间有间隙，从而引起涡流发生畸变，影响材料的导电性能，测量结果不准确。因此在满足厚度大于有效趋肤深度的前题下，尽可能减少叠加层数，一般不超过三层，这样测量出的结果才真实可靠。通常对于厚度>0.3mm的铜材可以直接用涡流导电仪进行测量。
2.3.3 测试频率的影响
通常测试频率选择越高，有效趋肤深度越小，测出数据更准确。
2.3.4 边缘效应的影响
在涡流检测中，由于样件几何形状突变，会产生磁场和涡流变化，也就是边缘效应。因此测试时，探头应平稳地置于样件表面的测试部位，探头与测试面紧密结合。测试时手持探头时间尽可能缩短，切忌用手触摸探头端部、标块和样件的测试部位。对于小尺寸样件，探头线圈应置于平整区域中心进行测量，避免边缘效应的产生。
3 两种方法测试的对比
以100MW核电发电机的导电材料——铜材料为例，该材料牌号为T2，状态为HTYMBY，样件规格尺寸为12×37.8/6.35×20.6，厚度为5mm。对该样件做电阻率测试，技术规范要求导电率大于97.68%。
方法1：数字电流电压法测电阻率
把整根长样件加工成1200mm的小样，放在油槽恒温数小时后测出电阻R（18℃）=0.0561mΩ，截取一块小样做截面积计算，用称重法算出截面积。
用温度修正到20℃时，体积电阻率为
ρ（t0）=ρ（t）-6.8×10-11（t-t0）
则ρ（t0）=0.0561×304.52/1000+0.000136=0.017220
Ω.mm2/m
测试系统最后算出被测样件的体积导电率百分值：
方法2：该样件规格符合涡流法测试的条件，先预热SMP10手提式导电仪后，校准标准样块的I.A.C.S体积导电率为100.6%，直接在样件本体上不同的位置测试六次，所测得的导电率为：
100.1% 100.6% 101.5% 101.2% 100.8% 101.4%
算出平均值：100.93%
通过两种方法所测样件的导电率都大于97.68%，满足指标要求，判定该样件的导电率合格。
4 结语
综上所述，数字电流电压法一般在试验室环境下测量，适用于规格小于1200×18×0.3mm的铜材料，这种方法要求测量样件的长度、厚度和电阻等诸多参数，同时对环境温度要求苛刻，测量时间相对较长。涡流法则适用于大规模的现场测试，不需要裁剪破坏样件，可以直接在铜或铜合金等导电材料本体上测量电阻率，该方法直接、快速而准确。在工作中两种方法通常交替使用，互为补充，有效解决了我公司大型核电发电机所用铜或铜合金等导电材料导电性能测试的问题。
参考文献：
[1]GB/T 3048.2-2007 电线电缆电性能试验方法，第2部分：金属材料电阻率试验[S].
[2]YS/T 478-2005 铜及铜合金导电率涡流检测方法[S].
[3]李家伟、陈积懋，无损检测手册[M].北京：机械工业出版社，2002.
作者简介：
邓海容（1970-），女，工程师，东方电气集团东方电机有限公司质检部。