玻纖漏板銅排節能設計研究

張曉芳++陳發東

摘 要：該文中通過合理改進漏板銅排的結構設計，減少了導電過程中的電力損耗，降低了設備運行故障率，為企業降低了生產成本，提高了生產在線控制能力，為產品質量的穩定提供了保障，對同行業中類似節能研究有借鑒意義。

關鍵詞：銅排 漏板 節能設計 表面趨膚效應

中圖分類號：TQ17 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著社會的不斷進步與科學技術的不斷發展，全球對節約原材料消耗、提高能源利用效率的關注度越來越高，節能是我國可持續發展的一項長遠發展戰略，是我國的基本國策。

在玻纖生產企業池窯拉絲用漏板控制中，銅排的電力損耗是玻纖行業的主要控制對象。隨著玻纖行業的迅速發展，玻纖生產工藝日益月薪，在滿足生產工藝的情況下，企業大都縮短傳輸距離已達到降低銅排的電力損耗。但對于建廠較早的玻纖廠，漏板銅排布局相對落后，致使銅排的電力損耗相對較高。通過測量漏板控制的各個節點電壓，發現在實際生產中漏板使用電力消耗占漏板總電力消耗的65%～75%左右，其他大量的能源在傳輸過程中被浪費。本研究通過合理改變銅排的設計結構以降低銅排的電力損耗，從而降低成本，對同行業中類似研究項目有借鑒意義。

1 銅排的節能設計改造

漏板控制系統由可控硅、變壓器、硬銅排、水冷硬銅排、軟銅排、電極夾等組成，為降低傳輸過程中的電阻損耗，水冷硬銅排、電極夾采用通水冷卻的方式防止其溫度的升高，導致電阻升高。隨著長時間高溫，每個連接節點會出現氧化現象，于是增加了接觸面的電阻，電能損耗也隨之增加，更有甚者會出現無法通電的狀況，在幾千安培的電流下，有時會出現電打火現象，影響現場生產。部分玻纖廠家為降低接觸面氧化，提高到點能力，定期對接觸面進行鍍銀處理，增加了生產成本。

在銅排的設計中，盡量縮短變壓器與漏板之間的傳輸距離，引入不同的冷卻方式，減少傳輸過程中的電阻，同時減少連接節點以降低損耗，表面鍍銀成本也隨之降低，這已成為漏板銅排優化設計的發展趨勢。

1.1 設計改造原理

該研究主要對原漏板銅排結構進行了設計改造，多數情況下，我們會采用增加導體截面積以謀求降低電阻，但是實際工廠的用電均采用交流電形式，并非采用直流電源，一味增加導體截面積并不能很好的減少電阻，而且還會受到周邊設備、設施等空間的影響。

交流電流流過導體時，電流方向是交替變化的，電流在導體中所產生的交變磁場對電荷的推斥作用力，迫使電流電荷向導體的表面集中，使得導體的實際有效載流面積減小，發生了電流向導體表面集中的現象，稱之為交流電流的趨膚效應。電流離開導體載流面中心向表面集中的程度，可以用趨膚效應深度來衡量。

趨膚效應深度可以表達為：d= k×66.1/f1/2

式中：f為電流的頻率（Hz）；k為常數，對銅而言k=1。

圖1是矩形導體電流趨膚效應的截面圖，圖中陰影部分就是交流電流通過的有效截面積，通過公式不難看出：頻率越高，陰影部分越小，電流通過的有效面積就越小。在趨膚效應深度小于扁線窄邊高度的1/2時，方形框的面積可用下式計算：

Sf =2×d×（b+a-2×d）

其中：a—扁線的窄邊高度（mm）；b—扁線的寬邊長度（mm）。

1.2 銅排結構的節能設計

由于漏板附件都是由純銅材質加工而成，所以在這里常數k=1，電流頻率為50 Hz，通過上述公式可計算趨膚效應深度d=9.35 mm。我們先計算一下改造前導電銅排的有效截面積，圖2是硬銅排的截面圖，由于它的窄邊寬度為18 mm，小于2倍的趨膚效應深度，因此可以認為該導體的截面面積全部被利用，那么它的有效截面積為Sf =a×d=1800 mm?。

圖3是水冷硬銅排的截面圖，其中陰影部分為電流的有效截面積，中間?10 mm的空心為通水通道，那么它的有效截面積為Sf =π×（D-d）×d =3.14×（50-9.35）×9.35 =1193.4 mm?。

新設計的銅排采用多排并行的窄銅排替代原有單排銅排，由于銅排的通過電流在幾千安左右，電流通過時會產生微震動，利用銅排之間的間隙產生空氣流動而讓銅排進行散熱。圖4為該銅排的截面圖，采用了5片8 mm的銅板加工而成，中間留有2 mm左右的間隙，它的有效截面積為Sf =5×a×d=5×100×8=4000 mm?。通過計算我們可以看出，改造后的導電銅排的有效截面積大大提高了，這就為降低銅排電阻、節約電能奠定了基礎。

1.3 銅排布置的節能改造

在銅排的節能設計中，除了在有效增加導電截面積方面做了深入研究外，為降低節點電力損耗，我們在銅排連接中還盡量采用直接傳輸的導電模式，減少水冷硬銅排環節，直接由硬銅排連接至軟銅排，從而減少了一個節點的損耗，同時，節點的鏈接方式有原來的圓環卡緊改為現在的平面鎖緊鏈接的方式，大大提高了節點的接觸面積，降低了其導電電阻。節能的同時又解決了現場安裝冷卻器和風箱的空間問題。改造前后銅排布置方式如圖5、圖6所示。

2 結語

通過研究交流電的表面趨膚效應現象，合理設計銅排結構，有效增加了導電面積，減少了銅排本身的材料成本；設計改進后的漏板銅排，減少了連接節點數目，降低了設備運行故障率；改變原有銅排的布置方式，為冷卻器的安裝和工藝風箱的清理預留合理的空間，方便員工的操作；由于電阻的減少，降低了電能損耗，為公司降低了生產成本，同時為產品質量的穩定提供了保障。

參考文獻

[1] 李建兵，牛忠霞，周東方，等.矩形截面長導體趨膚效應的數值分析[J].信息工程大學學報，2006（2）：167-171.

[2] 余明楊，童磊.集膚效應對銅排導電性能的影響分析[J].電氣技術，2007（4）：56-57，65.endprint

摘 要：該文中通過合理改進漏板銅排的結構設計，減少了導電過程中的電力損耗，降低了設備運行故障率，為企業降低了生產成本，提高了生產在線控制能力，為產品質量的穩定提供了保障，對同行業中類似節能研究有借鑒意義。

關鍵詞：銅排 漏板 節能設計 表面趨膚效應

中圖分類號：TQ17 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著社會的不斷進步與科學技術的不斷發展，全球對節約原材料消耗、提高能源利用效率的關注度越來越高，節能是我國可持續發展的一項長遠發展戰略，是我國的基本國策。

在玻纖生產企業池窯拉絲用漏板控制中，銅排的電力損耗是玻纖行業的主要控制對象。隨著玻纖行業的迅速發展，玻纖生產工藝日益月薪，在滿足生產工藝的情況下，企業大都縮短傳輸距離已達到降低銅排的電力損耗。但對于建廠較早的玻纖廠，漏板銅排布局相對落后，致使銅排的電力損耗相對較高。通過測量漏板控制的各個節點電壓，發現在實際生產中漏板使用電力消耗占漏板總電力消耗的65%～75%左右，其他大量的能源在傳輸過程中被浪費。本研究通過合理改變銅排的設計結構以降低銅排的電力損耗，從而降低成本，對同行業中類似研究項目有借鑒意義。

1 銅排的節能設計改造

漏板控制系統由可控硅、變壓器、硬銅排、水冷硬銅排、軟銅排、電極夾等組成，為降低傳輸過程中的電阻損耗，水冷硬銅排、電極夾采用通水冷卻的方式防止其溫度的升高，導致電阻升高。隨著長時間高溫，每個連接節點會出現氧化現象，于是增加了接觸面的電阻，電能損耗也隨之增加，更有甚者會出現無法通電的狀況，在幾千安培的電流下，有時會出現電打火現象，影響現場生產。部分玻纖廠家為降低接觸面氧化，提高到點能力，定期對接觸面進行鍍銀處理，增加了生產成本。

在銅排的設計中，盡量縮短變壓器與漏板之間的傳輸距離，引入不同的冷卻方式，減少傳輸過程中的電阻，同時減少連接節點以降低損耗，表面鍍銀成本也隨之降低，這已成為漏板銅排優化設計的發展趨勢。

1.1 設計改造原理

該研究主要對原漏板銅排結構進行了設計改造，多數情況下，我們會采用增加導體截面積以謀求降低電阻，但是實際工廠的用電均采用交流電形式，并非采用直流電源，一味增加導體截面積并不能很好的減少電阻，而且還會受到周邊設備、設施等空間的影響。

交流電流流過導體時，電流方向是交替變化的，電流在導體中所產生的交變磁場對電荷的推斥作用力，迫使電流電荷向導體的表面集中，使得導體的實際有效載流面積減小，發生了電流向導體表面集中的現象，稱之為交流電流的趨膚效應。電流離開導體載流面中心向表面集中的程度，可以用趨膚效應深度來衡量。

趨膚效應深度可以表達為：d= k×66.1/f1/2

式中：f為電流的頻率（Hz）；k為常數，對銅而言k=1。

圖1是矩形導體電流趨膚效應的截面圖，圖中陰影部分就是交流電流通過的有效截面積，通過公式不難看出：頻率越高，陰影部分越小，電流通過的有效面積就越小。在趨膚效應深度小于扁線窄邊高度的1/2時，方形框的面積可用下式計算：

Sf =2×d×（b+a-2×d）

其中：a—扁線的窄邊高度（mm）；b—扁線的寬邊長度（mm）。

1.2 銅排結構的節能設計

由于漏板附件都是由純銅材質加工而成，所以在這里常數k=1，電流頻率為50 Hz，通過上述公式可計算趨膚效應深度d=9.35 mm。我們先計算一下改造前導電銅排的有效截面積，圖2是硬銅排的截面圖，由于它的窄邊寬度為18 mm，小于2倍的趨膚效應深度，因此可以認為該導體的截面面積全部被利用，那么它的有效截面積為Sf =a×d=1800 mm?。

圖3是水冷硬銅排的截面圖，其中陰影部分為電流的有效截面積，中間?10 mm的空心為通水通道，那么它的有效截面積為Sf =π×（D-d）×d =3.14×（50-9.35）×9.35 =1193.4 mm?。

新設計的銅排采用多排并行的窄銅排替代原有單排銅排，由于銅排的通過電流在幾千安左右，電流通過時會產生微震動，利用銅排之間的間隙產生空氣流動而讓銅排進行散熱。圖4為該銅排的截面圖，采用了5片8 mm的銅板加工而成，中間留有2 mm左右的間隙，它的有效截面積為Sf =5×a×d=5×100×8=4000 mm?。通過計算我們可以看出，改造后的導電銅排的有效截面積大大提高了，這就為降低銅排電阻、節約電能奠定了基礎。

1.3 銅排布置的節能改造

在銅排的節能設計中，除了在有效增加導電截面積方面做了深入研究外，為降低節點電力損耗，我們在銅排連接中還盡量采用直接傳輸的導電模式，減少水冷硬銅排環節，直接由硬銅排連接至軟銅排，從而減少了一個節點的損耗，同時，節點的鏈接方式有原來的圓環卡緊改為現在的平面鎖緊鏈接的方式，大大提高了節點的接觸面積，降低了其導電電阻。節能的同時又解決了現場安裝冷卻器和風箱的空間問題。改造前后銅排布置方式如圖5、圖6所示。

2 結語

通過研究交流電的表面趨膚效應現象，合理設計銅排結構，有效增加了導電面積，減少了銅排本身的材料成本；設計改進后的漏板銅排，減少了連接節點數目，降低了設備運行故障率；改變原有銅排的布置方式，為冷卻器的安裝和工藝風箱的清理預留合理的空間，方便員工的操作；由于電阻的減少，降低了電能損耗，為公司降低了生產成本，同時為產品質量的穩定提供了保障。

參考文獻

[1] 李建兵，牛忠霞，周東方，等.矩形截面長導體趨膚效應的數值分析[J].信息工程大學學報，2006（2）：167-171.

[2] 余明楊，童磊.集膚效應對銅排導電性能的影響分析[J].電氣技術，2007（4）：56-57，65.endprint

摘 要：該文中通過合理改進漏板銅排的結構設計，減少了導電過程中的電力損耗，降低了設備運行故障率，為企業降低了生產成本，提高了生產在線控制能力，為產品質量的穩定提供了保障，對同行業中類似節能研究有借鑒意義。

關鍵詞：銅排 漏板 節能設計 表面趨膚效應

中圖分類號：TQ17 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著社會的不斷進步與科學技術的不斷發展，全球對節約原材料消耗、提高能源利用效率的關注度越來越高，節能是我國可持續發展的一項長遠發展戰略，是我國的基本國策。

在玻纖生產企業池窯拉絲用漏板控制中，銅排的電力損耗是玻纖行業的主要控制對象。隨著玻纖行業的迅速發展，玻纖生產工藝日益月薪，在滿足生產工藝的情況下，企業大都縮短傳輸距離已達到降低銅排的電力損耗。但對于建廠較早的玻纖廠，漏板銅排布局相對落后，致使銅排的電力損耗相對較高。通過測量漏板控制的各個節點電壓，發現在實際生產中漏板使用電力消耗占漏板總電力消耗的65%～75%左右，其他大量的能源在傳輸過程中被浪費。本研究通過合理改變銅排的設計結構以降低銅排的電力損耗，從而降低成本，對同行業中類似研究項目有借鑒意義。

1 銅排的節能設計改造

漏板控制系統由可控硅、變壓器、硬銅排、水冷硬銅排、軟銅排、電極夾等組成，為降低傳輸過程中的電阻損耗，水冷硬銅排、電極夾采用通水冷卻的方式防止其溫度的升高，導致電阻升高。隨著長時間高溫，每個連接節點會出現氧化現象，于是增加了接觸面的電阻，電能損耗也隨之增加，更有甚者會出現無法通電的狀況，在幾千安培的電流下，有時會出現電打火現象，影響現場生產。部分玻纖廠家為降低接觸面氧化，提高到點能力，定期對接觸面進行鍍銀處理，增加了生產成本。

在銅排的設計中，盡量縮短變壓器與漏板之間的傳輸距離，引入不同的冷卻方式，減少傳輸過程中的電阻，同時減少連接節點以降低損耗，表面鍍銀成本也隨之降低，這已成為漏板銅排優化設計的發展趨勢。

1.1 設計改造原理

該研究主要對原漏板銅排結構進行了設計改造，多數情況下，我們會采用增加導體截面積以謀求降低電阻，但是實際工廠的用電均采用交流電形式，并非采用直流電源，一味增加導體截面積并不能很好的減少電阻，而且還會受到周邊設備、設施等空間的影響。

交流電流流過導體時，電流方向是交替變化的，電流在導體中所產生的交變磁場對電荷的推斥作用力，迫使電流電荷向導體的表面集中，使得導體的實際有效載流面積減小，發生了電流向導體表面集中的現象，稱之為交流電流的趨膚效應。電流離開導體載流面中心向表面集中的程度，可以用趨膚效應深度來衡量。

趨膚效應深度可以表達為：d= k×66.1/f1/2

式中：f為電流的頻率（Hz）；k為常數，對銅而言k=1。

圖1是矩形導體電流趨膚效應的截面圖，圖中陰影部分就是交流電流通過的有效截面積，通過公式不難看出：頻率越高，陰影部分越小，電流通過的有效面積就越小。在趨膚效應深度小于扁線窄邊高度的1/2時，方形框的面積可用下式計算：

Sf =2×d×（b+a-2×d）

其中：a—扁線的窄邊高度（mm）；b—扁線的寬邊長度（mm）。

1.2 銅排結構的節能設計

由于漏板附件都是由純銅材質加工而成，所以在這里常數k=1，電流頻率為50 Hz，通過上述公式可計算趨膚效應深度d=9.35 mm。我們先計算一下改造前導電銅排的有效截面積，圖2是硬銅排的截面圖，由于它的窄邊寬度為18 mm，小于2倍的趨膚效應深度，因此可以認為該導體的截面面積全部被利用，那么它的有效截面積為Sf =a×d=1800 mm?。

圖3是水冷硬銅排的截面圖，其中陰影部分為電流的有效截面積，中間?10 mm的空心為通水通道，那么它的有效截面積為Sf =π×（D-d）×d =3.14×（50-9.35）×9.35 =1193.4 mm?。

新設計的銅排采用多排并行的窄銅排替代原有單排銅排，由于銅排的通過電流在幾千安左右，電流通過時會產生微震動，利用銅排之間的間隙產生空氣流動而讓銅排進行散熱。圖4為該銅排的截面圖，采用了5片8 mm的銅板加工而成，中間留有2 mm左右的間隙，它的有效截面積為Sf =5×a×d=5×100×8=4000 mm?。通過計算我們可以看出，改造后的導電銅排的有效截面積大大提高了，這就為降低銅排電阻、節約電能奠定了基礎。

1.3 銅排布置的節能改造

在銅排的節能設計中，除了在有效增加導電截面積方面做了深入研究外，為降低節點電力損耗，我們在銅排連接中還盡量采用直接傳輸的導電模式，減少水冷硬銅排環節，直接由硬銅排連接至軟銅排，從而減少了一個節點的損耗，同時，節點的鏈接方式有原來的圓環卡緊改為現在的平面鎖緊鏈接的方式，大大提高了節點的接觸面積，降低了其導電電阻。節能的同時又解決了現場安裝冷卻器和風箱的空間問題。改造前后銅排布置方式如圖5、圖6所示。

2 結語

通過研究交流電的表面趨膚效應現象，合理設計銅排結構，有效增加了導電面積，減少了銅排本身的材料成本；設計改進后的漏板銅排，減少了連接節點數目，降低了設備運行故障率；改變原有銅排的布置方式，為冷卻器的安裝和工藝風箱的清理預留合理的空間，方便員工的操作；由于電阻的減少，降低了電能損耗，為公司降低了生產成本，同時為產品質量的穩定提供了保障。

參考文獻

[1] 李建兵，牛忠霞，周東方，等.矩形截面長導體趨膚效應的數值分析[J].信息工程大學學報，2006（2）：167-171.

[2] 余明楊，童磊.集膚效應對銅排導電性能的影響分析[J].電氣技術，2007（4）：56-57，65.endprint