叠层母线排真空层压装置工艺探究

张　伟　汪雪涛

（合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽 合肥 230031）

叠层母线排真空层压装置工艺探究

张伟汪雪涛

（合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽 合肥 230031）

对边缘封闭式叠层母线排批量生产过程中的真空层压装置进行探讨。

层叠母线排；真空；层压装置

叠层母线排又称复合母排、夹层汇流排、低感母排、电子母线，是一种多层复合结构连接排，可算是配电系统的高速公路。是具有可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简洁快捷等特点的大功率模块化连接结构部件。真空层压装置就是利用真空条件去除电离所需要的空气，把多层进行压合的机械设备。

叠层母线排是一种新型、便捷的重要电气连接部件，可以提供易于设计、安装快速和结构清晰的现代化配电系统。被广泛应用在功率转换（如太阳能逆变器、风能变流器）、通信（如通信基站、配电系统）、交通（如机车、电车）、计算机（如服务器、大型主机）、电动汽车充电站、电动船舶、UPS电源柜以及军事设备等领域。

一、叠层母线排结构

叠层母排通常由包覆层、电极层、绝缘层三部分组成，其中包覆层起到电极层和外界环境的绝缘作用；电极层用来导电，传输电信号；绝缘层用来隔离各个电极层，确保电极层之间的绝缘，如图1所示。

按照导电系数和绝缘等级的要求，结合经济性指标，各部分材料选用见表1。

图1　电容串联母线排

表1

二、存在问题

由于叠层母线排通常的工作电流在100～800A，工作电压在380～1500VAC，要求的最大相对湿度95%，电感＜20nH，一般寿命需要达到150000h。因此，在叠层母线排制作过程中，除了保证整个生产流程中的无尘洁净外，还要做到叠层母线排电极层与绝缘层间贴合紧密，无空气。如果中间绝缘层有间隙，间隙内又有提供电离所需要的空气，那么，叠层母线排电极在通电后，有电极注入的电子和放电过程中电离的电子、正负离子，其能量可达到10eV以上，而通常选用的绝缘材料分子键很小，如C=H，键能为3.5eV，C=C，键能为6.2eV，当这些带电粒子撞击到气隙壁上时，就能打断绝缘材料的分子键，破坏其分子结构。带电粒子不断轰击，绝缘层不断腐蚀，最后导致击穿，如图2所示。

图2　绝缘层击穿过程

三、解决方案

在叠层母线排生产过程中，除了有效减少叠板过程中母线排绝缘层中的杂质数量，提高母线排的耐压性能及长期可靠性外，还需要尽可能减少叠层母线排电极层和绝缘层间的间隙，以及间隙内的空气。为此，需要将完成叠板过程的半成品放入真空层压装置中进行真空压合处理。

真空层压装置内空间尺寸为：L×W×H= 1500mm×1000mm×2000mm，侧开门结构，内部一共有10层压板。由三大系统组成，分别为加热冷却系统、真空系统和液压压合系统，箱体结构如图3所示。

图3　层压装置箱体

1.加热冷却系统

为了使层压装置中各压层间温度便于控制且有较好的温度均匀性，真空层压装置所配备的加热冷却系统中的载热媒体采用导热油。为了节约能源，加热和冷却分别配备一个导热油罐，采用自动阀门进行切换。加热过程中层压装置中层间温度需要达到150±1℃，导热油温度需要达到200℃。国内从事该行业的企业多采用电加热器直接加热导热油的方式，能耗相当大，需要配置1台加热功率为430kW的电加热器，据某单位反馈的数据，1台该配置的层压装置仅电费一项就占整个生产成本的10%以上。由于一般工业区蒸汽的压力不会大于1MPa，这样蒸汽的温度也就不会超过180℃，加热时可先采用蒸汽将热油罐导入的导热油加热至170℃左右，然后启动辅助电加热，将导热油的温度继续升高至设定的200℃，经测算在加热成本上可减少50%左右的费用。另外产品压制完成后需要冷却时，用冷油罐内的冷油置换原层压装置加热排管内的热油，可大大节约生产成本。

2.真空系统

真空系统是真空层压装置中的关键部分，由于层压系统要求的真空度大约为20～50Pa，为了节约抽气时间，通常采用两级真空机组，前级泵采用1台名义抽气速率为300m3/h旋片式泵，增压泵采用1台名义抽气速率为1000m3/h的罗茨泵。在关闭真空层压装置舱门后10min内可使压机密闭舱内的真空度达到20Pa，且在母线排压合过程中全程抽真空。这样压合出的叠层母线排，即使中间绝缘层间仍存有间隙，但间隙内部也基本处于真空状态，不提供电离所需的空气，可以有效避免绝缘材料的老化，提高产品的长期可靠性，从而有效地降低了由于电压击穿而引起的电器元件损坏概率。

3.液压压合系统

在真空层压装置顶部设置4个法兰式固定油缸，呈正方形布置在压板的4个角，通过特殊的管路设计，让4个油缸在运行过程中同步动作，使得层压装置各层压板压制过程中的压力更加均匀。将层压装置设计时需要提供的工作压力均分到4个液压油缸，进行计算、选型，确定油缸的缸径、杆径以及液压油缸的行程。

每层带导热油加热排管的压板均有不锈钢保护衬板，保护压板不被磨损，从而可以确保精确的制造工艺。油缸位置在层压装置开口上方，这样就不需要挖掘地坑,可以直接安装在地面上，既节省开支，又便于观察，同时也方便厂房的搬迁。另外积木式整体设计使得压机结构更加紧凑，易于迅速安装，可以减少占地面积，便于压机的升级换代。

4.生产线安全系统

叠层母线排真空层压装置的加热冷却系统配备了一套独立于PLC控制系统的高温、高压保护系统，防止因PLC死机、固态继电器击穿、导热油泵停转而造成的持续加热现象，避免事故的发生。所有导热油路管道及设备内部有良好的隔热保温措施，减少能耗。导热油管路进口、出口温度都有温度检测装置并带有高温报警功能、系统油路有泵启动后的欠压、高压油压检测、低油位检测和报警功能。

叠层母线排真空层压装置压合系统也配备了最完善的报警功能，只要压制过程中出现任何偏差，报警功能就会启动，另外还有3个层次的密码保护（工艺工程师、操作员、非操作员）,只有最高安全层次即工艺工程师才能修改菜单程序。

四、结语

叠层母线排作为一种大功率模块化电气连接结构，有其显著的优点，是未来各行各业电气连接领域的发展方向，为了使其安全、可靠、长寿命，根据其使用、生产过程中不断反馈的信息进行真空层压装置的工艺改造是很有意义的。

［1］王尧，盛建华.叠层母排的技术优势及其应用综述［J］.变频器世界，2012.9.

［2］孙良友，焦丕玉.国外层压母线用绝缘衬垫材料［J］.绝缘材料，2014，1.

［3］幸锐敏，林叶，崔怀磊.层压叠板平整性研究［J］.印制电路信息，2014，7.

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（2015-04-16）