疊層母線排真空層壓裝置工藝探究

張　偉　汪雪濤

（合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，安徽 合肥 230031）

疊層母線排真空層壓裝置工藝探究

張偉汪雪濤

（合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，安徽 合肥 230031）

對邊緣封閉式疊層母線排批量生產過程中的真空層壓裝置進行探討。

層疊母線排；真空；層壓裝置

疊層母線排又稱復合母排、夾層匯流排、低感母排、電子母線，是一種多層復合結構連接排，可算是配電系統的高速公路。是具有可重復電氣性能、低阻抗、抗干擾、可靠性好、節省空間、裝配簡潔快捷等特點的大功率模塊化連接結構部件。真空層壓裝置就是利用真空條件去除電離所需要的空氣，把多層進行壓合的機械設備。

疊層母線排是一種新型、便捷的重要電氣連接部件，可以提供易于設計、安裝快速和結構清晰的現代化配電系統。被廣泛應用在功率轉換（如太陽能逆變器、風能變流器）、通信（如通信基站、配電系統）、交通（如機車、電車）、計算機（如服務器、大型主機）、電動汽車充電站、電動船舶、UPS電源柜以及軍事設備等領域。

一、疊層母線排結構

疊層母排通常由包覆層、電極層、絕緣層三部分組成，其中包覆層起到電極層和外界環境的絕緣作用；電極層用來導電，傳輸電信號；絕緣層用來隔離各個電極層，確保電極層之間的絕緣，如圖1所示。

按照導電系數和絕緣等級的要求，結合經濟性指標，各部分材料選用見表1。

圖1　電容串聯母線排

表1

二、存在問題

由于疊層母線排通常的工作電流在100～800A，工作電壓在380～1500VAC，要求的最大相對濕度95%，電感＜20nH，一般壽命需要達到150000h。因此，在疊層母線排制作過程中，除了保證整個生產流程中的無塵潔凈外，還要做到疊層母線排電極層與絕緣層間貼合緊密，無空氣。如果中間絕緣層有間隙，間隙內又有提供電離所需要的空氣，那么，疊層母線排電極在通電后，有電極注入的電子和放電過程中電離的電子、正負離子，其能量可達到10eV以上，而通常選用的絕緣材料分子鍵很小，如C=H，鍵能為3.5eV，C=C，鍵能為6.2eV，當這些帶電粒子撞擊到氣隙壁上時，就能打斷絕緣材料的分子鍵，破壞其分子結構。帶電粒子不斷轟擊，絕緣層不斷腐蝕，最后導致擊穿，如圖2所示。

圖2　絕緣層擊穿過程

三、解決方案

在疊層母線排生產過程中，除了有效減少疊板過程中母線排絕緣層中的雜質數量，提高母線排的耐壓性能及長期可靠性外，還需要盡可能減少疊層母線排電極層和絕緣層間的間隙，以及間隙內的空氣。為此，需要將完成疊板過程的半成品放入真空層壓裝置中進行真空壓合處理。

真空層壓裝置內空間尺寸為：L×W×H= 1500mm×1000mm×2000mm，側開門結構，內部一共有10層壓板。由三大系統組成，分別為加熱冷卻系統、真空系統和液壓壓合系統，箱體結構如圖3所示。

圖3　層壓裝置箱體

1.加熱冷卻系統

為了使層壓裝置中各壓層間溫度便于控制且有較好的溫度均勻性，真空層壓裝置所配備的加熱冷卻系統中的載熱媒體采用導熱油。為了節約能源，加熱和冷卻分別配備一個導熱油罐，采用自動閥門進行切換。加熱過程中層壓裝置中層間溫度需要達到150±1℃，導熱油溫度需要達到200℃。國內從事該行業的企業多采用電加熱器直接加熱導熱油的方式，能耗相當大，需要配置1臺加熱功率為430kW的電加熱器，據某單位反饋的數據，1臺該配置的層壓裝置僅電費一項就占整個生產成本的10%以上。由于一般工業區蒸汽的壓力不會大于1MPa，這樣蒸汽的溫度也就不會超過180℃，加熱時可先采用蒸汽將熱油罐導入的導熱油加熱至170℃左右，然后啟動輔助電加熱，將導熱油的溫度繼續升高至設定的200℃，經測算在加熱成本上可減少50%左右的費用。另外產品壓制完成后需要冷卻時，用冷油罐內的冷油置換原層壓裝置加熱排管內的熱油，可大大節約生產成本。

2.真空系統

真空系統是真空層壓裝置中的關鍵部分，由于層壓系統要求的真空度大約為20～50Pa，為了節約抽氣時間，通常采用兩級真空機組，前級泵采用1臺名義抽氣速率為300m3/h旋片式泵，增壓泵采用1臺名義抽氣速率為1000m3/h的羅茨泵。在關閉真空層壓裝置艙門后10min內可使壓機密閉艙內的真空度達到20Pa，且在母線排壓合過程中全程抽真空。這樣壓合出的疊層母線排，即使中間絕緣層間仍存有間隙，但間隙內部也基本處于真空狀態，不提供電離所需的空氣，可以有效避免絕緣材料的老化，提高產品的長期可靠性，從而有效地降低了由于電壓擊穿而引起的電器元件損壞概率。

3.液壓壓合系統

在真空層壓裝置頂部設置4個法蘭式固定油缸，呈正方形布置在壓板的4個角，通過特殊的管路設計，讓4個油缸在運行過程中同步動作，使得層壓裝置各層壓板壓制過程中的壓力更加均勻。將層壓裝置設計時需要提供的工作壓力均分到4個液壓油缸，進行計算、選型，確定油缸的缸徑、桿徑以及液壓油缸的行程。

每層帶導熱油加熱排管的壓板均有不銹鋼保護襯板，保護壓板不被磨損，從而可以確保精確的制造工藝。油缸位置在層壓裝置開口上方，這樣就不需要挖掘地坑,可以直接安裝在地面上，既節省開支，又便于觀察，同時也方便廠房的搬遷。另外積木式整體設計使得壓機結構更加緊湊，易于迅速安裝，可以減少占地面積，便于壓機的升級換代。

4.生產線安全系統

疊層母線排真空層壓裝置的加熱冷卻系統配備了一套獨立于PLC控制系統的高溫、高壓保護系統，防止因PLC死機、固態繼電器擊穿、導熱油泵停轉而造成的持續加熱現象，避免事故的發生。所有導熱油路管道及設備內部有良好的隔熱保溫措施，減少能耗。導熱油管路進口、出口溫度都有溫度檢測裝置并帶有高溫報警功能、系統油路有泵啟動后的欠壓、高壓油壓檢測、低油位檢測和報警功能。

疊層母線排真空層壓裝置壓合系統也配備了最完善的報警功能，只要壓制過程中出現任何偏差，報警功能就會啟動，另外還有3個層次的密碼保護（工藝工程師、操作員、非操作員）,只有最高安全層次即工藝工程師才能修改菜單程序。

四、結語

疊層母線排作為一種大功率模塊化電氣連接結構，有其顯著的優點，是未來各行各業電氣連接領域的發展方向，為了使其安全、可靠、長壽命，根據其使用、生產過程中不斷反饋的信息進行真空層壓裝置的工藝改造是很有意義的。

［1］王堯，盛建華.疊層母排的技術優勢及其應用綜述［J］.變頻器世界，2012.9.

［2］孫良友，焦丕玉.國外層壓母線用絕緣襯墊材料［J］.絕緣材料，2014，1.

［3］幸銳敏，林葉，崔懷磊.層壓疊板平整性研究［J］.印制電路信息，2014，7.

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（2015-04-16）