玻纤漏板铜排节能设计研究

张晓芳++陈发东

摘 要：该文中通过合理改进漏板铜排的结构设计，减少了导电过程中的电力损耗，降低了设备运行故障率，为企业降低了生产成本，提高了生产在线控制能力，为产品质量的稳定提供了保障，对同行业中类似节能研究有借鉴意义。

关键词：铜排 漏板 节能设计 表面趋肤效应

中图分类号：TQ17 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0030-02

Fiberglass Copper Drain Board Energy Saving Design Study

ZHANG Xiao-fang CHEN Fa-dong

（1.Hebei Electromechanical Vocational and Technical College；2.Xingtai Taurus Fiberglass Co.， Ltd. Hebei Xingtai， 054000，China）

Abstract：In this paper，through reasonable improvements in copper drain board structure design，the process of reducing the conductive power loss，reducing the failure rate of equipment operation，for enterprises to reduce production costs，improve production line control，to provide a stable product quality.

Key words：Copper Drain Board Energy-Saving Design Surface Skin Effect

随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，全球对节约原材料消耗、提高能源利用效率的关注度越来越高，节能是我国可持续发展的一项长远发展战略，是我国的基本国策。

在玻纤生产企业池窑拉丝用漏板控制中，铜排的电力损耗是玻纤行业的主要控制对象。随着玻纤行业的迅速发展，玻纤生产工艺日益月薪，在满足生产工艺的情况下，企业大都缩短传输距离已达到降低铜排的电力损耗。但对于建厂较早的玻纤厂，漏板铜排布局相对落后，致使铜排的电力损耗相对较高。通过测量漏板控制的各个节点电压，发现在实际生产中漏板使用电力消耗占漏板总电力消耗的65%～75%左右，其他大量的能源在传输过程中被浪费。本研究通过合理改变铜排的设计结构以降低铜排的电力损耗，从而降低成本，对同行业中类似研究项目有借鉴意义。

1 铜排的节能设计改造

漏板控制系统由可控硅、变压器、硬铜排、水冷硬铜排、软铜排、电极夹等组成，为降低传输过程中的电阻损耗，水冷硬铜排、电极夹采用通水冷却的方式防止其温度的升高，导致电阻升高。随着长时间高温，每个连接节点会出现氧化现象，于是增加了接触面的电阻，电能损耗也随之增加，更有甚者会出现无法通电的状况，在几千安培的电流下，有时会出现电打火现象，影响现场生产。部分玻纤厂家为降低接触面氧化，提高到点能力，定期对接触面进行镀银处理，增加了生产成本。

在铜排的设计中，尽量缩短变压器与漏板之间的传输距离，引入不同的冷却方式，减少传输过程中的电阻，同时减少连接节点以降低损耗，表面镀银成本也随之降低，这已成为漏板铜排优化设计的发展趋势。

1.1 设计改造原理

该研究主要对原漏板铜排结构进行了设计改造，多数情况下，我们会采用增加导体截面积以谋求降低电阻，但是实际工厂的用电均采用交流电形式，并非采用直流电源，一味增加导体截面积并不能很好的减少电阻，而且还会受到周边设备、设施等空间的影响。

交流电流流过导体时，电流方向是交替变化的，电流在导体中所产生的交变磁场对电荷的推斥作用力，迫使电流电荷向导体的表面集中，使得导体的实际有效载流面积减小，发生了电流向导体表面集中的现象，称之为交流电流的趋肤效应。电流离开导体载流面中心向表面集中的程度，可以用趋肤效应深度来衡量。

趋肤效应深度可以表达为：d= k×66.1/f1/2

式中：f为电流的频率（Hz）；k为常数，对铜而言k=1。

图1是矩形导体电流趋肤效应的截面图，图中阴影部分就是交流电流通过的有效截面积，通过公式不难看出：频率越高，阴影部分越小，电流通过的有效面积就越小。在趋肤效应深度小于扁线窄边高度的1/2时，方形框的面积可用下式计算：

Sf =2×d×（b+a-2×d）

其中：a—扁线的窄边高度（mm）；b—扁线的宽边长度（mm）。

1.2 铜排结构的节能设计

由于漏板附件都是由纯铜材质加工而成，所以在这里常数k=1，电流频率为50 Hz，通过上述公式可计算趋肤效应深度d=9.35 mm。我们先计算一下改造前导电铜排的有效截面积，图2是硬铜排的截面图，由于它的窄边宽度为18 mm，小于2倍的趋肤效应深度，因此可以认为该导体的截面面积全部被利用，那么它的有效截面积为Sf =a×d=1800 mm?。

图3是水冷硬铜排的截面图，其中阴影部分为电流的有效截面积，中间?10 mm的空心为通水通道，那么它的有效截面积为Sf =π×（D-d）×d =3.14×（50-9.35）×9.35 =1193.4 mm?。

新设计的铜排采用多排并行的窄铜排替代原有单排铜排，由于铜排的通过电流在几千安左右，电流通过时会产生微震动，利用铜排之间的间隙产生空气流动而让铜排进行散热。图4为该铜排的截面图，采用了5片8 mm的铜板加工而成，中间留有2 mm左右的间隙，它的有效截面积为Sf =5×a×d=5×100×8=4000 mm?。通过计算我们可以看出，改造后的导电铜排的有效截面积大大提高了，这就为降低铜排电阻、节约电能奠定了基础。

1.3 铜排布置的节能改造

在铜排的节能设计中，除了在有效增加导电截面积方面做了深入研究外，为降低节点电力损耗，我们在铜排连接中还尽量采用直接传输的导电模式，减少水冷硬铜排环节，直接由硬铜排连接至软铜排，从而减少了一个节点的损耗，同时，节点的链接方式有原来的圆环卡紧改为现在的平面锁紧链接的方式，大大提高了节点的接触面积，降低了其导电电阻。节能的同时又解决了现场安装冷却器和风箱的空间问题。改造前后铜排布置方式如图5、图6所示。

2 结语

通过研究交流电的表面趋肤效应现象，合理设计铜排结构，有效增加了导电面积，减少了铜排本身的材料成本；设计改进后的漏板铜排，减少了连接节点数目，降低了设备运行故障率；改变原有铜排的布置方式，为冷却器的安装和工艺风箱的清理预留合理的空间，方便员工的操作；由于电阻的减少，降低了电能损耗，为公司降低了生产成本，同时为产品质量的稳定提供了保障。

参考文献

[1] 李建兵，牛忠霞，周东方，等.矩形截面长导体趋肤效应的数值分析[J].信息工程大学学报，2006（2）：167-171.

[2] 余明杨，童磊.集肤效应对铜排导电性能的影响分析[J].电气技术，2007（4）：56-57，65.endprint

摘 要：该文中通过合理改进漏板铜排的结构设计，减少了导电过程中的电力损耗，降低了设备运行故障率，为企业降低了生产成本，提高了生产在线控制能力，为产品质量的稳定提供了保障，对同行业中类似节能研究有借鉴意义。

关键词：铜排 漏板 节能设计 表面趋肤效应

中图分类号：TQ17 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0030-02

Fiberglass Copper Drain Board Energy Saving Design Study

ZHANG Xiao-fang CHEN Fa-dong

（1.Hebei Electromechanical Vocational and Technical College；2.Xingtai Taurus Fiberglass Co.， Ltd. Hebei Xingtai， 054000，China）

Abstract：In this paper，through reasonable improvements in copper drain board structure design，the process of reducing the conductive power loss，reducing the failure rate of equipment operation，for enterprises to reduce production costs，improve production line control，to provide a stable product quality.

Key words：Copper Drain Board Energy-Saving Design Surface Skin Effect

随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，全球对节约原材料消耗、提高能源利用效率的关注度越来越高，节能是我国可持续发展的一项长远发展战略，是我国的基本国策。

在玻纤生产企业池窑拉丝用漏板控制中，铜排的电力损耗是玻纤行业的主要控制对象。随着玻纤行业的迅速发展，玻纤生产工艺日益月薪，在满足生产工艺的情况下，企业大都缩短传输距离已达到降低铜排的电力损耗。但对于建厂较早的玻纤厂，漏板铜排布局相对落后，致使铜排的电力损耗相对较高。通过测量漏板控制的各个节点电压，发现在实际生产中漏板使用电力消耗占漏板总电力消耗的65%～75%左右，其他大量的能源在传输过程中被浪费。本研究通过合理改变铜排的设计结构以降低铜排的电力损耗，从而降低成本，对同行业中类似研究项目有借鉴意义。

1 铜排的节能设计改造

漏板控制系统由可控硅、变压器、硬铜排、水冷硬铜排、软铜排、电极夹等组成，为降低传输过程中的电阻损耗，水冷硬铜排、电极夹采用通水冷却的方式防止其温度的升高，导致电阻升高。随着长时间高温，每个连接节点会出现氧化现象，于是增加了接触面的电阻，电能损耗也随之增加，更有甚者会出现无法通电的状况，在几千安培的电流下，有时会出现电打火现象，影响现场生产。部分玻纤厂家为降低接触面氧化，提高到点能力，定期对接触面进行镀银处理，增加了生产成本。

在铜排的设计中，尽量缩短变压器与漏板之间的传输距离，引入不同的冷却方式，减少传输过程中的电阻，同时减少连接节点以降低损耗，表面镀银成本也随之降低，这已成为漏板铜排优化设计的发展趋势。

1.1 设计改造原理

该研究主要对原漏板铜排结构进行了设计改造，多数情况下，我们会采用增加导体截面积以谋求降低电阻，但是实际工厂的用电均采用交流电形式，并非采用直流电源，一味增加导体截面积并不能很好的减少电阻，而且还会受到周边设备、设施等空间的影响。

交流电流流过导体时，电流方向是交替变化的，电流在导体中所产生的交变磁场对电荷的推斥作用力，迫使电流电荷向导体的表面集中，使得导体的实际有效载流面积减小，发生了电流向导体表面集中的现象，称之为交流电流的趋肤效应。电流离开导体载流面中心向表面集中的程度，可以用趋肤效应深度来衡量。

趋肤效应深度可以表达为：d= k×66.1/f1/2

式中：f为电流的频率（Hz）；k为常数，对铜而言k=1。

图1是矩形导体电流趋肤效应的截面图，图中阴影部分就是交流电流通过的有效截面积，通过公式不难看出：频率越高，阴影部分越小，电流通过的有效面积就越小。在趋肤效应深度小于扁线窄边高度的1/2时，方形框的面积可用下式计算：

Sf =2×d×（b+a-2×d）

其中：a—扁线的窄边高度（mm）；b—扁线的宽边长度（mm）。

1.2 铜排结构的节能设计

由于漏板附件都是由纯铜材质加工而成，所以在这里常数k=1，电流频率为50 Hz，通过上述公式可计算趋肤效应深度d=9.35 mm。我们先计算一下改造前导电铜排的有效截面积，图2是硬铜排的截面图，由于它的窄边宽度为18 mm，小于2倍的趋肤效应深度，因此可以认为该导体的截面面积全部被利用，那么它的有效截面积为Sf =a×d=1800 mm?。

图3是水冷硬铜排的截面图，其中阴影部分为电流的有效截面积，中间?10 mm的空心为通水通道，那么它的有效截面积为Sf =π×（D-d）×d =3.14×（50-9.35）×9.35 =1193.4 mm?。

新设计的铜排采用多排并行的窄铜排替代原有单排铜排，由于铜排的通过电流在几千安左右，电流通过时会产生微震动，利用铜排之间的间隙产生空气流动而让铜排进行散热。图4为该铜排的截面图，采用了5片8 mm的铜板加工而成，中间留有2 mm左右的间隙，它的有效截面积为Sf =5×a×d=5×100×8=4000 mm?。通过计算我们可以看出，改造后的导电铜排的有效截面积大大提高了，这就为降低铜排电阻、节约电能奠定了基础。

1.3 铜排布置的节能改造

在铜排的节能设计中，除了在有效增加导电截面积方面做了深入研究外，为降低节点电力损耗，我们在铜排连接中还尽量采用直接传输的导电模式，减少水冷硬铜排环节，直接由硬铜排连接至软铜排，从而减少了一个节点的损耗，同时，节点的链接方式有原来的圆环卡紧改为现在的平面锁紧链接的方式，大大提高了节点的接触面积，降低了其导电电阻。节能的同时又解决了现场安装冷却器和风箱的空间问题。改造前后铜排布置方式如图5、图6所示。

2 结语

通过研究交流电的表面趋肤效应现象，合理设计铜排结构，有效增加了导电面积，减少了铜排本身的材料成本；设计改进后的漏板铜排，减少了连接节点数目，降低了设备运行故障率；改变原有铜排的布置方式，为冷却器的安装和工艺风箱的清理预留合理的空间，方便员工的操作；由于电阻的减少，降低了电能损耗，为公司降低了生产成本，同时为产品质量的稳定提供了保障。

参考文献

[1] 李建兵，牛忠霞，周东方，等.矩形截面长导体趋肤效应的数值分析[J].信息工程大学学报，2006（2）：167-171.

[2] 余明杨，童磊.集肤效应对铜排导电性能的影响分析[J].电气技术，2007（4）：56-57，65.endprint

摘 要：该文中通过合理改进漏板铜排的结构设计，减少了导电过程中的电力损耗，降低了设备运行故障率，为企业降低了生产成本，提高了生产在线控制能力，为产品质量的稳定提供了保障，对同行业中类似节能研究有借鉴意义。

关键词：铜排 漏板 节能设计 表面趋肤效应

中图分类号：TQ17 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0030-02

Fiberglass Copper Drain Board Energy Saving Design Study

ZHANG Xiao-fang CHEN Fa-dong

（1.Hebei Electromechanical Vocational and Technical College；2.Xingtai Taurus Fiberglass Co.， Ltd. Hebei Xingtai， 054000，China）

Abstract：In this paper，through reasonable improvements in copper drain board structure design，the process of reducing the conductive power loss，reducing the failure rate of equipment operation，for enterprises to reduce production costs，improve production line control，to provide a stable product quality.

Key words：Copper Drain Board Energy-Saving Design Surface Skin Effect

随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，全球对节约原材料消耗、提高能源利用效率的关注度越来越高，节能是我国可持续发展的一项长远发展战略，是我国的基本国策。

在玻纤生产企业池窑拉丝用漏板控制中，铜排的电力损耗是玻纤行业的主要控制对象。随着玻纤行业的迅速发展，玻纤生产工艺日益月薪，在满足生产工艺的情况下，企业大都缩短传输距离已达到降低铜排的电力损耗。但对于建厂较早的玻纤厂，漏板铜排布局相对落后，致使铜排的电力损耗相对较高。通过测量漏板控制的各个节点电压，发现在实际生产中漏板使用电力消耗占漏板总电力消耗的65%～75%左右，其他大量的能源在传输过程中被浪费。本研究通过合理改变铜排的设计结构以降低铜排的电力损耗，从而降低成本，对同行业中类似研究项目有借鉴意义。

1 铜排的节能设计改造

漏板控制系统由可控硅、变压器、硬铜排、水冷硬铜排、软铜排、电极夹等组成，为降低传输过程中的电阻损耗，水冷硬铜排、电极夹采用通水冷却的方式防止其温度的升高，导致电阻升高。随着长时间高温，每个连接节点会出现氧化现象，于是增加了接触面的电阻，电能损耗也随之增加，更有甚者会出现无法通电的状况，在几千安培的电流下，有时会出现电打火现象，影响现场生产。部分玻纤厂家为降低接触面氧化，提高到点能力，定期对接触面进行镀银处理，增加了生产成本。

在铜排的设计中，尽量缩短变压器与漏板之间的传输距离，引入不同的冷却方式，减少传输过程中的电阻，同时减少连接节点以降低损耗，表面镀银成本也随之降低，这已成为漏板铜排优化设计的发展趋势。

1.1 设计改造原理

该研究主要对原漏板铜排结构进行了设计改造，多数情况下，我们会采用增加导体截面积以谋求降低电阻，但是实际工厂的用电均采用交流电形式，并非采用直流电源，一味增加导体截面积并不能很好的减少电阻，而且还会受到周边设备、设施等空间的影响。

交流电流流过导体时，电流方向是交替变化的，电流在导体中所产生的交变磁场对电荷的推斥作用力，迫使电流电荷向导体的表面集中，使得导体的实际有效载流面积减小，发生了电流向导体表面集中的现象，称之为交流电流的趋肤效应。电流离开导体载流面中心向表面集中的程度，可以用趋肤效应深度来衡量。

趋肤效应深度可以表达为：d= k×66.1/f1/2

式中：f为电流的频率（Hz）；k为常数，对铜而言k=1。

图1是矩形导体电流趋肤效应的截面图，图中阴影部分就是交流电流通过的有效截面积，通过公式不难看出：频率越高，阴影部分越小，电流通过的有效面积就越小。在趋肤效应深度小于扁线窄边高度的1/2时，方形框的面积可用下式计算：

Sf =2×d×（b+a-2×d）

其中：a—扁线的窄边高度（mm）；b—扁线的宽边长度（mm）。

1.2 铜排结构的节能设计

由于漏板附件都是由纯铜材质加工而成，所以在这里常数k=1，电流频率为50 Hz，通过上述公式可计算趋肤效应深度d=9.35 mm。我们先计算一下改造前导电铜排的有效截面积，图2是硬铜排的截面图，由于它的窄边宽度为18 mm，小于2倍的趋肤效应深度，因此可以认为该导体的截面面积全部被利用，那么它的有效截面积为Sf =a×d=1800 mm?。

图3是水冷硬铜排的截面图，其中阴影部分为电流的有效截面积，中间?10 mm的空心为通水通道，那么它的有效截面积为Sf =π×（D-d）×d =3.14×（50-9.35）×9.35 =1193.4 mm?。

新设计的铜排采用多排并行的窄铜排替代原有单排铜排，由于铜排的通过电流在几千安左右，电流通过时会产生微震动，利用铜排之间的间隙产生空气流动而让铜排进行散热。图4为该铜排的截面图，采用了5片8 mm的铜板加工而成，中间留有2 mm左右的间隙，它的有效截面积为Sf =5×a×d=5×100×8=4000 mm?。通过计算我们可以看出，改造后的导电铜排的有效截面积大大提高了，这就为降低铜排电阻、节约电能奠定了基础。

1.3 铜排布置的节能改造

在铜排的节能设计中，除了在有效增加导电截面积方面做了深入研究外，为降低节点电力损耗，我们在铜排连接中还尽量采用直接传输的导电模式，减少水冷硬铜排环节，直接由硬铜排连接至软铜排，从而减少了一个节点的损耗，同时，节点的链接方式有原来的圆环卡紧改为现在的平面锁紧链接的方式，大大提高了节点的接触面积，降低了其导电电阻。节能的同时又解决了现场安装冷却器和风箱的空间问题。改造前后铜排布置方式如图5、图6所示。

2 结语

通过研究交流电的表面趋肤效应现象，合理设计铜排结构，有效增加了导电面积，减少了铜排本身的材料成本；设计改进后的漏板铜排，减少了连接节点数目，降低了设备运行故障率；改变原有铜排的布置方式，为冷却器的安装和工艺风箱的清理预留合理的空间，方便员工的操作；由于电阻的减少，降低了电能损耗，为公司降低了生产成本，同时为产品质量的稳定提供了保障。

参考文献

[1] 李建兵，牛忠霞，周东方，等.矩形截面长导体趋肤效应的数值分析[J].信息工程大学学报，2006（2）：167-171.

[2] 余明杨，童磊.集肤效应对铜排导电性能的影响分析[J].电气技术，2007（4）：56-57，65.endprint