高压6KV铜排与铝排结合面发热原因分析及处理

赵金猛

摘 要： 我厂1#发电机6KV出线母排与热一刀闸属于铜铝连接，铜排接触面虽然已搪锡，但长期持续投入运行，铝排在螺栓长时间挤压下，加上接触面冷热交替，铝排产生变形，铜铝接触面之间形成缝间隙。在这种状态下长期运行，铜铝接合面温升超过70度，最高温度达到126度。现通过铝排接触面加装铜块，增加铜铝接触面积，降低接触面电阻值，解决发热问题。

关键词： 铜铝连接；间隙；电阻值；发热；铜块

引言

我厂1#发电机出线母排与热一刀闸下口属于铜铝连接，发电机出线母排3*120mm*10mm（母排数*母排宽度*母排厚度）铝材质，刀闸下口连接面是2*120mm*10mm（母排数*母排宽度*母排厚度）铜材质。通过Φ14螺栓固定连接。母排长期持续投入运行，铜铝接合面处发热，最高温度达到126°。严重威胁机组的安全稳定持续运行，为彻底解决发热问题，我们对铜铝接合面发热原因进行分析，并制定可行性方案。

1铜铝接合面发热原因分析

1.1铜铝面氧化腐蚀引起发热。当铜铝金属材料直接接触时，这两种金属的接触面，在空气中的水分、二氧化碳和其他杂质的作用下很容易形成电解液，从而形成以铜为正极、铝为负极的原电池，铝面发生电化腐蚀，从而造成铜铝连接面接触电阻增大。接触电阻增大，长时间运行，接合面温度就会升高，在高温下铜铝接合面腐蚀氧化就会加快，如此反复，产生恶性循环，最后导致接触面温度过高。

1.2铜铝物理性质差异引起发热

铜铝的弹性模量和热膨胀系数相差很大，在运行中经过多次冷热交替即通电与断电。如此往复循环，铜铝排会产生变形，导致接触面间隙增大，从而增加接触电阻值，在这种状态下，长期运行温度就会升高。

1.3螺栓压力不足或过大使铜铝有效接触面变小引起发热。

铜铝排连接都是使用螺栓连接。由于螺帽面积小，铜铝排接触面承受螺栓压力的面积小，即铜铝面有效接触面小，当螺栓压力不足或压力过大引起铝排变形时，电阻值都将增大，导致连接面电压降增加，至使处于微间隙状态的接触面电场强度增加，当电场强度增加到一定程度时，在微间隙空间产生放电现象，即出现微弧小火花。由于铜铝金属熔点不同，铝熔化了但铜不会熔化，两种材质不会熔合，且铝在火花中极易氧化，生成的氧化铝电阻率又极高，小火花使有效接触面进一步减小，这将引发一个恶性循环过程：小火花使有效接触面减小——接触面电压降增加——接触面间电场强度增加——小火花形成大火花——有效接触面加速减小——这个过程直到连接点铝排融化断开结束。

2铜铝连接方案制定

通过对铜铝排接合面发热原因分析，我们知道影响铜排铝排发热的根本因素是两种金属面接触电阻的较大。为此，只有降低接触面的电阻值，才能保证接合面不发热。前面分析到影响接触面电阻值的因素有三种分别是：铜铝排原电池氧化、铜铝弹性模量和热膨胀系数。铜铝排接触面在长期通运行中受三种因素作用下，接触面间隙變大，接触面积减小，或发生电化腐蚀，最终导致电阻值增加。如何增大接触面积和防止电化腐蚀。为此我们研究制定了详细的方案。首先，对所连接铜排铝排面进行找平，铜排接触面找平后搪锡；其次，为增大铜铝排有效接触面，在铝排面侧连接面处加铜块，铜块规格10mm*120mm*10mm（长度*宽度*厚度），所选择铜块刚度要大于铝排刚度；再次，铜铝排连接面涂抹导电膏。

3铜铝连接方案实施

3.1铜铝排接触面找平

铜铝接触面凹凸不平，会大大的减少两排接触面积，增加接触点阻值。因此两接触面平整是降低阻值的关键。首先利用铣床铣去铜铝粗糙面，然后使用锉刀对铣过的平面再次加工。使用锉刀时，锉刀放平，被锉铜铝排固定铣床上面，找平基准，对两接触面进行锉平，以接触面全部锉完为标准。经过这两道工序加工后，两接触面非常平整，经过专业技术人员测量，平面度误差0.05MM。在这个误差范围内两平面契合度能达到95%以上。铜排找平后，对铜排接触面进行搪锡。

3.2 垫块材质的选择与制作

选择黄铜H62作为铝侧面垫块。因为黄铜H62的刚度要大于铝，而且黄铜散热性能比较好。铜块规格要求，能完全覆盖铝排接触面，且铜块厚度要不小于铝排的厚度，宽度要大于铝排宽度1mm。目的是防止铜块不能完全压住连接面，铝排受力不均匀，造成铝排和铜排之间存在微缝隙。制做铜块螺丝孔，按照铝排螺丝孔尺寸进行加工。为提高铜块表面平整度，铜块使用铣床进行加工，两面铣平。最后去除铜块周围和孔内毛刺。

3.3铜铝排连接

使用Φ16*55mm螺栓进行连接。连接前，先在两接触面涂抹导电膏，导电膏涂抹均匀，并能全部覆盖两接触面。连接处接触压力要大于10PMa。即使用扳手紧固，直至紧不动为止。压力也不可过大，压力过大很可能螺丝容易拧滑丝或者是螺帽覆盖区受力太大，造成铜块变形，铜块周边翘起，形成缝隙。固定完毕后，使用塞尺对铜铝接触面进行校验，使用0.03mm塞尺插入铜铝排接触面间隙，单个方向塞不大于连接长度的25%。连接图如下：

4测直阻试验

连接完成后，对连接点进行直流电阻测量。所选仪器是直流电阻测试仪量程200A。加装铜块后测量结果：A相3.96μΩ，B相5.63μΩ，C相3.56μΩ。铜铝排接头发热时测量结果：A相235.56μΩ，B相67.42μΩ，C相125.23μΩ。铜铝面搪锡后在没有使用铜块压接时测量结果：A相86.25μΩ，B相56.47μΩ，C相58.65μΩ。通过以上数据对比可以发现，使用铜块压接后，接头处电阻值明显降低。接近同等长度母排阻值1.96μΩ。

5实际运行效果

通过一段时间跟踪检测，即使在高温的夏天铜铝排连接处温度一直保持在60度以下。运行效果达到预想的目标。

结束语

实践证明：增大铜铝排接头的接触面积，降低接触面阻值，可以降低接头处温度。目前，这种方法已经在我厂广泛应用，不光在母排上应用，母排与电缆端子连接，此种方法也同样适用，如我厂高压电抗器出口母排与铝芯电缆端子连接，高压6000伏断路器与铝芯电缆端子连接。经过长期跟踪检测，温度都在60度以下。此种方法彻底解决困扰我厂多年的铜铝排发热问题，保证了机组的安全平稳持续运行。

参考文献

[1]温秉权.《金属材料手册》.电子工业出版社，2009.

[2]梦庆龙，梦跃进，宋玉兰.母线连接工艺[J].电气制造，2008，08：43-47.