高壓6KV銅排與鋁排結(jié)合面發(fā)熱原因分析及處理

趙金猛

摘 要： 我廠1#發(fā)電機(jī)6KV出線母排與熱一刀閘屬于銅鋁連接，銅排接觸面雖然已搪錫，但長(zhǎng)期持續(xù)投入運(yùn)行，鋁排在螺栓長(zhǎng)時(shí)間擠壓下，加上接觸面冷熱交替，鋁排產(chǎn)生變形，銅鋁接觸面之間形成縫間隙。在這種狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行，銅鋁接合面溫升超過(guò)70度，最高溫度達(dá)到126度。現(xiàn)通過(guò)鋁排接觸面加裝銅塊，增加銅鋁接觸面積，降低接觸面電阻值，解決發(fā)熱問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 銅鋁連接；間隙；電阻值；發(fā)熱；銅塊

引言

我廠1#發(fā)電機(jī)出線母排與熱一刀閘下口屬于銅鋁連接，發(fā)電機(jī)出線母排3*120mm*10mm（母排數(shù)*母排寬度*母排厚度）鋁材質(zhì)，刀閘下口連接面是2*120mm*10mm（母排數(shù)*母排寬度*母排厚度）銅材質(zhì)。通過(guò)Φ14螺栓固定連接。母排長(zhǎng)期持續(xù)投入運(yùn)行，銅鋁接合面處發(fā)熱，最高溫度達(dá)到126°。嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，為徹底解決發(fā)熱問(wèn)題，我們對(duì)銅鋁接合面發(fā)熱原因進(jìn)行分析，并制定可行性方案。

1銅鋁接合面發(fā)熱原因分析

1.1銅鋁面氧化腐蝕引起發(fā)熱。當(dāng)銅鋁金屬材料直接接觸時(shí)，這兩種金屬的接觸面，在空氣中的水分、二氧化碳和其他雜質(zhì)的作用下很容易形成電解液，從而形成以銅為正極、鋁為負(fù)極的原電池，鋁面發(fā)生電化腐蝕，從而造成銅鋁連接面接觸電阻增大。接觸電阻增大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，接合面溫度就會(huì)升高，在高溫下銅鋁接合面腐蝕氧化就會(huì)加快，如此反復(fù)，產(chǎn)生惡性循環(huán)，最后導(dǎo)致接觸面溫度過(guò)高。

1.2銅鋁物理性質(zhì)差異引起發(fā)熱

銅鋁的彈性模量和熱膨脹系數(shù)相差很大，在運(yùn)行中經(jīng)過(guò)多次冷熱交替即通電與斷電。如此往復(fù)循環(huán)，銅鋁排會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致接觸面間隙增大，從而增加接觸電阻值，在這種狀態(tài)下，長(zhǎng)期運(yùn)行溫度就會(huì)升高。

1.3螺栓壓力不足或過(guò)大使銅鋁有效接觸面變小引起發(fā)熱。

銅鋁排連接都是使用螺栓連接。由于螺帽面積小，銅鋁排接觸面承受螺栓壓力的面積小，即銅鋁面有效接觸面小，當(dāng)螺栓壓力不足或壓力過(guò)大引起鋁排變形時(shí)，電阻值都將增大，導(dǎo)致連接面電壓降增加，至使處于微間隙狀態(tài)的接觸面電場(chǎng)強(qiáng)度增加，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)，在微間隙空間產(chǎn)生放電現(xiàn)象，即出現(xiàn)微弧小火花。由于銅鋁金屬熔點(diǎn)不同，鋁熔化了但銅不會(huì)熔化，兩種材質(zhì)不會(huì)熔合，且鋁在火花中極易氧化，生成的氧化鋁電阻率又極高，小火花使有效接觸面進(jìn)一步減小，這將引發(fā)一個(gè)惡性循環(huán)過(guò)程：小火花使有效接觸面減小——接觸面電壓降增加——接觸面間電場(chǎng)強(qiáng)度增加——小火花形成大火花——有效接觸面加速減小——這個(gè)過(guò)程直到連接點(diǎn)鋁排融化斷開結(jié)束。

2銅鋁連接方案制定

通過(guò)對(duì)銅鋁排接合面發(fā)熱原因分析，我們知道影響銅排鋁排發(fā)熱的根本因素是兩種金屬面接觸電阻的較大。為此，只有降低接觸面的電阻值，才能保證接合面不發(fā)熱。前面分析到影響接觸面電阻值的因素有三種分別是：銅鋁排原電池氧化、銅鋁彈性模量和熱膨脹系數(shù)。銅鋁排接觸面在長(zhǎng)期通運(yùn)行中受三種因素作用下，接觸面間隙變大，接觸面積減小，或發(fā)生電化腐蝕，最終導(dǎo)致電阻值增加。如何增大接觸面積和防止電化腐蝕。為此我們研究制定了詳細(xì)的方案。首先，對(duì)所連接銅排鋁排面進(jìn)行找平，銅排接觸面找平后搪錫；其次，為增大銅鋁排有效接觸面，在鋁排面?zhèn)冗B接面處加銅塊，銅塊規(guī)格10mm*120mm*10mm（長(zhǎng)度*寬度*厚度），所選擇銅塊剛度要大于鋁排剛度；再次，銅鋁排連接面涂抹導(dǎo)電膏。

3銅鋁連接方案實(shí)施

3.1銅鋁排接觸面找平

銅鋁接觸面凹凸不平，會(huì)大大的減少兩排接觸面積，增加接觸點(diǎn)阻值。因此兩接觸面平整是降低阻值的關(guān)鍵。首先利用銑床銑去銅鋁粗糙面，然后使用銼刀對(duì)銑過(guò)的平面再次加工。使用銼刀時(shí)，銼刀放平，被銼銅鋁排固定銑床上面，找平基準(zhǔn)，對(duì)兩接觸面進(jìn)行銼平，以接觸面全部銼完為標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)這兩道工序加工后，兩接觸面非常平整，經(jīng)過(guò)專業(yè)技術(shù)人員測(cè)量，平面度誤差0.05MM。在這個(gè)誤差范圍內(nèi)兩平面契合度能達(dá)到95%以上。銅排找平后，對(duì)銅排接觸面進(jìn)行搪錫。

3.2 墊塊材質(zhì)的選擇與制作

選擇黃銅H62作為鋁側(cè)面墊塊。因?yàn)辄S銅H62的剛度要大于鋁，而且黃銅散熱性能比較好。銅塊規(guī)格要求，能完全覆蓋鋁排接觸面，且銅塊厚度要不小于鋁排的厚度，寬度要大于鋁排寬度1mm。目的是防止銅塊不能完全壓住連接面，鋁排受力不均勻，造成鋁排和銅排之間存在微縫隙。制做銅塊螺絲孔，按照鋁排螺絲孔尺寸進(jìn)行加工。為提高銅塊表面平整度，銅塊使用銑床進(jìn)行加工，兩面銑平。最后去除銅塊周圍和孔內(nèi)毛刺。

3.3銅鋁排連接

使用Φ16*55mm螺栓進(jìn)行連接。連接前，先在兩接觸面涂抹導(dǎo)電膏，導(dǎo)電膏涂抹均勻，并能全部覆蓋兩接觸面。連接處接觸壓力要大于10PMa。即使用扳手緊固，直至緊不動(dòng)為止。壓力也不可過(guò)大，壓力過(guò)大很可能螺絲容易擰滑絲或者是螺帽覆蓋區(qū)受力太大，造成銅塊變形，銅塊周邊翹起，形成縫隙。固定完畢后，使用塞尺對(duì)銅鋁接觸面進(jìn)行校驗(yàn)，使用0.03mm塞尺插入銅鋁排接觸面間隙，單個(gè)方向塞不大于連接長(zhǎng)度的25%。連接圖如下：

4測(cè)直阻試驗(yàn)

連接完成后，對(duì)連接點(diǎn)進(jìn)行直流電阻測(cè)量。所選儀器是直流電阻測(cè)試儀量程200A。加裝銅塊后測(cè)量結(jié)果：A相3.96μΩ，B相5.63μΩ，C相3.56μΩ。銅鋁排接頭發(fā)熱時(shí)測(cè)量結(jié)果：A相235.56μΩ，B相67.42μΩ，C相125.23μΩ。銅鋁面搪錫后在沒(méi)有使用銅塊壓接時(shí)測(cè)量結(jié)果：A相86.25μΩ，B相56.47μΩ，C相58.65μΩ。通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，使用銅塊壓接后，接頭處電阻值明顯降低。接近同等長(zhǎng)度母排阻值1.96μΩ。

5實(shí)際運(yùn)行效果

通過(guò)一段時(shí)間跟蹤檢測(cè)，即使在高溫的夏天銅鋁排連接處溫度一直保持在60度以下。運(yùn)行效果達(dá)到預(yù)想的目標(biāo)。

結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明：增大銅鋁排接頭的接觸面積，降低接觸面阻值，可以降低接頭處溫度。目前，這種方法已經(jīng)在我廠廣泛應(yīng)用，不光在母排上應(yīng)用，母排與電纜端子連接，此種方法也同樣適用，如我廠高壓電抗器出口母排與鋁芯電纜端子連接，高壓6000伏斷路器與鋁芯電纜端子連接。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期跟蹤檢測(cè)，溫度都在60度以下。此種方法徹底解決困擾我廠多年的銅鋁排發(fā)熱問(wèn)題，保證了機(jī)組的安全平穩(wěn)持續(xù)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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