疊層母線排真空層壓裝置工藝探究

張　偉　汪雪濤

（合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031）

疊層母線排真空層壓裝置工藝探究

張偉汪雪濤

（合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031）

對(duì)邊緣封閉式疊層母線排批量生產(chǎn)過程中的真空層壓裝置進(jìn)行探討。

層疊母線排；真空；層壓裝置

疊層母線排又稱復(fù)合母排、夾層匯流排、低感母排、電子母線，是一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)連接排，可算是配電系統(tǒng)的高速公路。是具有可重復(fù)電氣性能、低阻抗、抗干擾、可靠性好、節(jié)省空間、裝配簡(jiǎn)潔快捷等特點(diǎn)的大功率模塊化連接結(jié)構(gòu)部件。真空層壓裝置就是利用真空條件去除電離所需要的空氣，把多層進(jìn)行壓合的機(jī)械設(shè)備。

疊層母線排是一種新型、便捷的重要電氣連接部件，可以提供易于設(shè)計(jì)、安裝快速和結(jié)構(gòu)清晰的現(xiàn)代化配電系統(tǒng)。被廣泛應(yīng)用在功率轉(zhuǎn)換（如太陽能逆變器、風(fēng)能變流器）、通信（如通信基站、配電系統(tǒng)）、交通（如機(jī)車、電車）、計(jì)算機(jī)（如服務(wù)器、大型主機(jī)）、電動(dòng)汽車充電站、電動(dòng)船舶、UPS電源柜以及軍事設(shè)備等領(lǐng)域。

一、疊層母線排結(jié)構(gòu)

疊層母排通常由包覆層、電極層、絕緣層三部分組成，其中包覆層起到電極層和外界環(huán)境的絕緣作用；電極層用來導(dǎo)電，傳輸電信號(hào)；絕緣層用來隔離各個(gè)電極層，確保電極層之間的絕緣，如圖1所示。

按照導(dǎo)電系數(shù)和絕緣等級(jí)的要求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，各部分材料選用見表1。

圖1　電容串聯(lián)母線排

表1

二、存在問題

由于疊層母線排通常的工作電流在100～800A，工作電壓在380～1500VAC，要求的最大相對(duì)濕度95%，電感＜20nH，一般壽命需要達(dá)到150000h。因此，在疊層母線排制作過程中，除了保證整個(gè)生產(chǎn)流程中的無塵潔凈外，還要做到疊層母線排電極層與絕緣層間貼合緊密，無空氣。如果中間絕緣層有間隙，間隙內(nèi)又有提供電離所需要的空氣，那么，疊層母線排電極在通電后，有電極注入的電子和放電過程中電離的電子、正負(fù)離子，其能量可達(dá)到10eV以上，而通常選用的絕緣材料分子鍵很小，如C=H，鍵能為3.5eV，C=C，鍵能為6.2eV，當(dāng)這些帶電粒子撞擊到氣隙壁上時(shí)，就能打斷絕緣材料的分子鍵，破壞其分子結(jié)構(gòu)。帶電粒子不斷轟擊，絕緣層不斷腐蝕，最后導(dǎo)致?lián)舸?，如圖2所示。

圖2　絕緣層擊穿過程

三、解決方案

在疊層母線排生產(chǎn)過程中，除了有效減少疊板過程中母線排絕緣層中的雜質(zhì)數(shù)量，提高母線排的耐壓性能及長(zhǎng)期可靠性外，還需要盡可能減少疊層母線排電極層和絕緣層間的間隙，以及間隙內(nèi)的空氣。為此，需要將完成疊板過程的半成品放入真空層壓裝置中進(jìn)行真空壓合處理。

真空層壓裝置內(nèi)空間尺寸為：L×W×H= 1500mm×1000mm×2000mm，側(cè)開門結(jié)構(gòu)，內(nèi)部一共有10層壓板。由三大系統(tǒng)組成，分別為加熱冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和液壓壓合系統(tǒng)，箱體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　層壓裝置箱體

1.加熱冷卻系統(tǒng)

為了使層壓裝置中各壓層間溫度便于控制且有較好的溫度均勻性，真空層壓裝置所配備的加熱冷卻系統(tǒng)中的載熱媒體采用導(dǎo)熱油。為了節(jié)約能源，加熱和冷卻分別配備一個(gè)導(dǎo)熱油罐，采用自動(dòng)閥門進(jìn)行切換。加熱過程中層壓裝置中層間溫度需要達(dá)到150±1℃，導(dǎo)熱油溫度需要達(dá)到200℃。國(guó)內(nèi)從事該行業(yè)的企業(yè)多采用電加熱器直接加熱導(dǎo)熱油的方式，能耗相當(dāng)大，需要配置1臺(tái)加熱功率為430kW的電加熱器，據(jù)某單位反饋的數(shù)據(jù)，1臺(tái)該配置的層壓裝置僅電費(fèi)一項(xiàng)就占整個(gè)生產(chǎn)成本的10%以上。由于一般工業(yè)區(qū)蒸汽的壓力不會(huì)大于1MPa，這樣蒸汽的溫度也就不會(huì)超過180℃，加熱時(shí)可先采用蒸汽將熱油罐導(dǎo)入的導(dǎo)熱油加熱至170℃左右，然后啟動(dòng)輔助電加熱，將導(dǎo)熱油的溫度繼續(xù)升高至設(shè)定的200℃，經(jīng)測(cè)算在加熱成本上可減少50%左右的費(fèi)用。另外產(chǎn)品壓制完成后需要冷卻時(shí)，用冷油罐內(nèi)的冷油置換原層壓裝置加熱排管內(nèi)的熱油，可大大節(jié)約生產(chǎn)成本。

2.真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)是真空層壓裝置中的關(guān)鍵部分，由于層壓系統(tǒng)要求的真空度大約為20～50Pa，為了節(jié)約抽氣時(shí)間，通常采用兩級(jí)真空機(jī)組，前級(jí)泵采用1臺(tái)名義抽氣速率為300m3/h旋片式泵，增壓泵采用1臺(tái)名義抽氣速率為1000m3/h的羅茨泵。在關(guān)閉真空層壓裝置艙門后10min內(nèi)可使壓機(jī)密閉艙內(nèi)的真空度達(dá)到20Pa，且在母線排壓合過程中全程抽真空。這樣壓合出的疊層母線排，即使中間絕緣層間仍存有間隙，但間隙內(nèi)部也基本處于真空狀態(tài)，不提供電離所需的空氣，可以有效避免絕緣材料的老化，提高產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性，從而有效地降低了由于電壓擊穿而引起的電器元件損壞概率。

3.液壓壓合系統(tǒng)

在真空層壓裝置頂部設(shè)置4個(gè)法蘭式固定油缸，呈正方形布置在壓板的4個(gè)角，通過特殊的管路設(shè)計(jì)，讓4個(gè)油缸在運(yùn)行過程中同步動(dòng)作，使得層壓裝置各層壓板壓制過程中的壓力更加均勻。將層壓裝置設(shè)計(jì)時(shí)需要提供的工作壓力均分到4個(gè)液壓油缸，進(jìn)行計(jì)算、選型，確定油缸的缸徑、桿徑以及液壓油缸的行程。

每層帶導(dǎo)熱油加熱排管的壓板均有不銹鋼保護(hù)襯板，保護(hù)壓板不被磨損，從而可以確保精確的制造工藝。油缸位置在層壓裝置開口上方，這樣就不需要挖掘地坑,可以直接安裝在地面上，既節(jié)省開支，又便于觀察，同時(shí)也方便廠房的搬遷。另外積木式整體設(shè)計(jì)使得壓機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，易于迅速安裝，可以減少占地面積，便于壓機(jī)的升級(jí)換代。

4.生產(chǎn)線安全系統(tǒng)

疊層母線排真空層壓裝置的加熱冷卻系統(tǒng)配備了一套獨(dú)立于PLC控制系統(tǒng)的高溫、高壓保護(hù)系統(tǒng)，防止因PLC死機(jī)、固態(tài)繼電器擊穿、導(dǎo)熱油泵停轉(zhuǎn)而造成的持續(xù)加熱現(xiàn)象，避免事故的發(fā)生。所有導(dǎo)熱油路管道及設(shè)備內(nèi)部有良好的隔熱保溫措施，減少能耗。導(dǎo)熱油管路進(jìn)口、出口溫度都有溫度檢測(cè)裝置并帶有高溫報(bào)警功能、系統(tǒng)油路有泵啟動(dòng)后的欠壓、高壓油壓檢測(cè)、低油位檢測(cè)和報(bào)警功能。

疊層母線排真空層壓裝置壓合系統(tǒng)也配備了最完善的報(bào)警功能，只要壓制過程中出現(xiàn)任何偏差，報(bào)警功能就會(huì)啟動(dòng)，另外還有3個(gè)層次的密碼保護(hù)（工藝工程師、操作員、非操作員）,只有最高安全層次即工藝工程師才能修改菜單程序。

四、結(jié)語

疊層母線排作為一種大功率模塊化電氣連接結(jié)構(gòu)，有其顯著的優(yōu)點(diǎn)，是未來各行各業(yè)電氣連接領(lǐng)域的發(fā)展方向，為了使其安全、可靠、長(zhǎng)壽命，根據(jù)其使用、生產(chǎn)過程中不斷反饋的信息進(jìn)行真空層壓裝置的工藝改造是很有意義的。

［1］王堯，盛建華.疊層母排的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用綜述［J］.變頻器世界，2012.9.

［2］孫良友，焦丕玉.國(guó)外層壓母線用絕緣襯墊材料［J］.絕緣材料，2014，1.

［3］幸銳敏，林葉，崔懷磊.層壓疊板平整性研究［J］.印制電路信息，2014，7.

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1671-0711（2015）08-0054-03

（2015-04-16）