铜—铝,铝—铝母线的螺钉连接

铜—铝,铝—铝母线的螺钉连接 铜—铝,铝—铝母线的螺钉连接 (!) 乃_. 坶//吕/. .铜一铝,铝一铝母线的螺钉连接 (210042)南京化I电器仪表厂蔡敬义 在高低压成套装置中.母线与母线,母线 与电器元件之间的电连接,几乎全部采用螺 钉连接,但由于铜,铝母线的机械性能及电气 性能各不相同,再加上电器元件连接端子的 多样性,给母线的加工,处理,安装及维护带 来了困难. 图l母线连接图 表l 开关柜电壳AI母线规格I螺钉规格钉数量I消耗功率w :lMI6”01”?l0l252500嘲tOx80x2L640If14?9 图1为一台PGL型开关柜的典型母线 连接图,三相有24个连接点,至少需要84个 连接螺钉. 一 台开关柜的运行质量,除了电器开关 的质量以外,关键应在于母线的连接质量. l母线连接处的导电特性 可从图2,图4中知道. 2正常情况下母线连接处的电阻及热损耗 热损耗功率P=12R(1) 母线在正常运行后,约2,3h温升稳定. 发热与散热达到平衡. fR:,uSK(2) 式中卜一母线通过电流(A) 江苏电器 1Hiff R一母线本体及连接处接触电阻,Q 图2母线的螺钉连接 圉3连接处的电流分布 图4连接处的微观 一 母线散热系数W/cm2-? K一母线温升? s一散热面积cm2 R=Rl+R2(3) R一母线本体电阻 R2一各个连接处的总电阻 母线的本体电阻 R=P?(4) 一 33— 各连接处,困接触状态差别很大 r2=(5)’) 式中n一取决于接触的类别 P,总压力N n一取决于触头材料的和接触点数的 系数 镀锡母线的允许温升:铜6O?.铝55?. 铜铝母线本体所消耗的功率见表l,各 连接处的接触电阻R2,因接触情况差异太 大,主要是靠经验估算.然后再用测量验 证. 母线连接处由于接触电阻较大.其温升 要高于母线本体的温升,但一般规定接触电 阻不大于同样长度母线电阻值的20%. 断路器触头及接线端子的温升,特别是 触头的温升,比接线端子及母线本体要高得 多,表1中的热损耗既没有计算开关的热损 耗,也没有计算连接处的热损耗,但与它母线 的螺钉连接的影响却很大. 3铜(或电器元件接线端子)一铝,铝一铝母 线连接处的氧化 铜,铝母线表面如不加镀层,或者镀层质 量很差,或者不加其它保护,极易氧化. 铜氧化后生成的氧化铜为不良导体. 铝在空气中极易氧化,这种氧化作用在 常温下也能迅速发生,温度越高,氧化越迅 速,不管用什么办法清洗,只要一遇到空气, 主会立刻生成一层氧化膜Ak0,,厚度可达 0.002ram,这层氧化膜导电性很差,像一层 绝缘体,而且很难清除.因此在连接处R 十,造成温度十,温度升高加速氧化,氧化 后又造成R十;t十,又造成JR十,以致形 成恶性循环,最终导致连接破坏. 4铜一铝母线连接时的电化学腐蚀 铜和铝接触,很容易发生电化学腐蚀,连 接处吸收水份,水的电离程度虽然很小,但仍 能电离出一些H和OH一离子,而离子的数 量将因水中溶入的COz或其它杂质而增加, 一 34 它们在铜铝接头中将发生如下化学反应: H2O—H+OH c02+H20?OO3 H2C0,?H+HCO; 因此铜铝接头处在含有H,0H及 HCO3等离子的溶液中. 铜(对氢)的电势为+0.34V 铝(对氯)的标准电势为1.34V 两者的电位差E=+0.34一(一1.34)= 1.68V 这样,就形成了以铝为负极,铜为正极的 原电池,由于铜铝接头内部的两种金属紧密 接触,使电池成闭路状态.产生电流的过程 就是铝的腐蚀过程,一部分铝溶解成离子,多 余的电子移向铜.在铜上使H离子中和,生 成H2放出;溶解的A1与OH离子化合成 Al(OH)沉淀或析出.长期下去,铝遭到严 重的腐蚀,并在连接处生成导电性能很差的 中间物质.因而接触电阻增大,连接处进一 步发热. 5铜铝母线及钢质螺钉的机械特性差异所 造成母线连接的复杂性 5.1在开关柜中有铜一铜连接,也有铜一铝 连接和铝一铝连接,矛盾比较突出的是铜一 铝连接及铝一铝连接. 从表2中可知铜,铝,钢三种材料的机械 特性差异较大,从图2,4及公式(5)中,连接 接触面的压力P越大,接触电阻r就越小. 但压力的增加是有限度的,因为铝母线的屈 服极限只有100N/ram2,不到铜的1/3,在铜 一 铝母线或铝一铝母线进行连接时,一般接 触面的压力控制在25,30N/ram2的范围 内.当压力过大时.母线将产生塑性变形,当 压力再降低时(比如母线由高温降到低温), 接触面的压力恢复不到原来的压力,即小于 原来的压力,这时接触面的电阻将增大.电阻 增大又促使接触面的温升. 5.2由于铝,铜,钢三种材料的热膨胀系数 1996年3期 表2 性能铜铝锕 电阻章20?n?mm2/m001700269 电阻温度系数0.004330.o0426 熔点?1083653 线胀系数1642x10—624×10105×10 标准弹性模数N/m130.00060.000,70.000210.000 抗拉强度N,mm22u,24(I150400 屈服极限6o2MPaN/一35(I1o0235 硬度HB12O32 电位(以氢为准)V+034—134 不同,铝比铜大46%,铝比钢大140%,当连 接处温度过高,产生膨胀.铜铝母线增加的厚 度都大于钢螺钉增加的厚度,这必然使接触 面压力进一步加大. 当电路突然发生短路时,短路电流瞬间 可达5o,100kA.这么大的电流瞬间产生的 热量不可能来得及散发到周围介质中去,几 乎全部用来使母线本体发热,按图1所示电 路图瞬间产生的功率可达800,3200kW,这 时若铜母线的电流密度为200A/rtm~2时,温 度可达300?.这么高的温度加剧连接处的 变形,又增加连接处的附加应力. 5.3铝母线在200?时,铜母线在300?时 开始塑性变形,特别是铝母线硬度很低.在较 大温度和较大压力下,产生蠕性变形,温度越 高.压力越大,时间越长,蠕性变形越严重. 由于蠕性变形,久而久之,使铝母线在螺母及 垫圈以下的部分向外流动,挤出,至使接触压 力大大下辟,也会造成连接的破坏. 从以上可知,保护接触压力稳定是 连接长久可靠的必要保证. 6提高母线螺钉连接可靠性的主要措施 6.1选择合理的搭线长度:最小不得小于母 线宽度.建议搭接长度大于母线宽度的1.5 倍左右.增加搭接面可有效地降低作用子母 线上的压应力.但增加了接触面,也就增加 了母线的消耗量,提高了成本. 江苏电器 6.2各种搭接面必须选择合适的螺钉太小 及数量,这也是保持作用子母线上压应力稳 定可靠的有效措施. 6.3采用加大垫圈能够有效降低加于母线 上压应力,并保持有效地接触,如用16放 大垫圈可使压应力减少55%左右,表3为加 大垫圈的规格及数据. 表3 外径内径厚度 螺钉直径垫圈型号 1)1111mra??ll 10ND一10221054 12ND一12.128134 12ND一12.234136 16ND—l6381656 6.4采用蝶形弹簧垫圈.不仅可以保持对母 线压应力的持久稳定,而且可以补偿由于温 度变化而使母线产生的附加应力. 根据国外经验,这种蝶形弹簧垫圈比普 通弹簧垫圈在母线连接上的使用效果更好. 国内按GB1972—80标准生产的蝶形弹 簧垫圈,选用的材料较薄,使用在母线连接上 效果肯定不会好.建议我国进行研究,制定 符合我国标准的专用蝶形弹簧垫圈. 65选用力矩扳手.控制母钱连接的压应 力. 控制母线连接处压应力在标准范围内. 是满足母线连接技术的基本保证.如果压力 一 35— 小了,接触电阻就会增大,相反,如果压力过 大,就必然造成母线的塑性变形,影响了连接 处长期工作时,接触电阻的稳定.但在实际 生产中这个压力很难控制,也很难用仪器测 量,所以用力矩板手可以达到比较满意的效 果. 66选择合理的接触偶.消除电化学腐蚀. 铜一铜表面镀银,镀锡,搪锡. 铜,铝表面镀银,镀锡,搪锡. 铝一铝表面镀银.镀锡,搪锡. 也可以在接触面涂823导电保护液. 国外有一种新工艺:在铜,铝金属表面上 进行等离子喷银,这种效果最好,希望国内能 开发等离子喷银设备. 67接触面的加工 a.清除氧化层; b.提高平整度,光洁度; c增加接触点数,压花. 7关于断路器等电器元件的接线端子 为了缩小元器件的尺寸,降低原材料消 耗+降低成本,所以元器件及其接线端子尺寸 日趋小型化,而且相间距离也日趋减小.但 外部连接母线的制作及连接却很困难.特别 是铝母线的连接更加困难,有的几乎不可能. 建议在元器件接线端子上加过渡接头.以增 加相间距离及接触面,见图5. 头 片 关 圜5 进线端子距触头较近,其温升普遍较出 线端子的温升高得多,与母线连接后,其温升 也难以达到标准要求.因此希望开关制造厂 在制造电器开关时能附加散热栅片,据我们 试验结果,对降低该处温升有较好的效果. 8几点建议 8.1希望电控配电行业能加强母线螺钉连 接基础理论及实践的研究. 8.2希望一些标准件厂能与行业厂,研究所 加强对母线连接用加大垫圈,蝶形弹簧垫圈 的研究,制定我国统一的系列标准. 8.3研制母线螺钉连接压应力的测量及测 量仪器,以便于现场测量. 84研究,制造母线连接处附加应力的其它 补偿材料及零件. 动态与信息? 镇江市电工器材厂真空断路器通过国家监督抽查 1996年5月4日,5日,国家高压电器 质量监督检验中心刘清春,左荣荣,陈光辉受 国家技术监督局的委托,对镇江市电工器材 厂制造的zN28A,1O/1250—20型户内高压 真空断路器进行产品质量国家监督抽查.检 查组的同志按国家有关标准和法规对封样产 品进行了严肃,认真,公正,科学的检查.经 测试和判断该产品的所有抽查项目均一次性 合格.实际质量水平达到一等品标准.镇江 市电工器材厂全体职工正以此为动力,进一 步提高自己的质量意识,努力改进和提高产 品质量,进一步拓宽市场提高经济效益和社 会效益. (镇江市电工器材厂严金城) 1996年3期