引線連接方式結構和故障分析

丁新 王麗杰

摘要：電機和電器產(chǎn)品中存在各式各樣的引線連接，不同的應用環(huán)境對引線連接方式和結構有不同的要求。隨著電機和電器產(chǎn)品功率的不斷增大和應用環(huán)境變惡劣，對引線連接的可靠性提出了更高的要求。本文通過介紹多種引線連接方式，并對已發(fā)生的引線燒損故障進行分析，為后續(xù)引線連接的結構設計、工藝制造和檢查分析提供依據(jù)。

關鍵詞：引線連接;燒損故障;結構設計

一、 引言：

電機和電器產(chǎn)品中存在著各種各樣的引線連接，與傳統(tǒng)的鋼結構連接不同，引線材質(zhì)一般為銅材，而連接螺栓一般為鋼材。引線連接不僅有力學性能要求，還有電氣性能要求。在實際應用過程中，不僅外部環(huán)境會對引線連接的可靠性產(chǎn)生影響，引線連接自身也會發(fā)熱，導致引線連接的可靠性降低，甚至產(chǎn)生燒損故障。

二、 引線連接方式介紹

目前比較成熟的引線連接方式有：焊接、螺栓連接、連接器連接。以下主要介紹引線連接中的螺栓連接方式。

（一）銅扁線平面接觸，螺栓固定

例如兩個銅扁線的寬面接觸，中間靠螺栓進行壓緊。

連接特點：連接方式較為簡單、可靠，可應用于直流和交流場合。

連接注意事項：

1.銅扁線的接觸面要平整，在螺栓未施加預緊力的情況下要能緊密貼合;

2.壓緊螺栓要求至少為兩個，否則存在連接面轉動的風險。

3.螺栓底部要使用大平墊，或者墊板，否則容易造成應力集中，導致連接線變形，甚至影響接觸面

4.螺栓要有鎖緊措施，尤其是在承受振動、熱應力的情況。

5.連接完成后，要檢查接觸面是否足夠大，一般要求有效接觸面大于銅線橫截面兩倍以上。

6.在特殊場合，如振動、熱應力較大的情況下，連接部位不能懸空過長，否則需要施加輔助固定措施。

（二）圓柱導線通過螺栓端面與扁銅線連接

這種連接方式在電機、電抗器引出線端子上較常見。

連接特點：從電流通路模型分析可知，電流導通橫截面存在較大變化，一般接觸面要小于圓柱導線的橫截面，在電流劇烈波動的情況下存在電磁熱甚至產(chǎn)生火花的風險。

連接注意事項：

1. 結構設計時應避免螺母/螺紋起導電作用，即螺母不能既用于導電，又用于產(chǎn)生預緊力。

2. 圓柱導線和扁銅線均應可靠固定，避免懸空過長導致結構不穩(wěn)定。

3. 防松措施應避免采用螺紋鎖固劑，尤其是直接與接觸面連接的部位，螺紋鎖固劑容易造成接觸電阻變大，影響導電。

4. 由于連接螺紋為銅材，熱應力和熱變形較大，結構設計和制定工藝參數(shù)時應充分考慮使用過程中預緊力下降帶來的風險。

5. 應用于高速旋轉部位時，應考慮離心力帶來的連接失效風險。

（三）圓柱導線與圓柱導線間的異形連接

這種連接方式不常用，僅在某些極特殊的場合（如空間限制、某一部位已成型而無法再做變動），此處不做詳細介紹。

三、實際應用中發(fā)生的故障、原因分析和解決措施

實際應用中，引線連接部位燒損故障時有發(fā)生，給企業(yè)造成了巨大損失。

（一）銅扁線平面連接發(fā)生的故障

此處以某出口發(fā)電機為例，分析故障發(fā)生的原因。2019年公司出口非洲的某型發(fā)電機，轉子上某處引線連接出現(xiàn)燒損故障，后經(jīng)拆解未出廠電機，分析故障原因為引線連接接觸面不足導致引線燒損。詳細情況如圖一：

原因分析：1.目測檢查，引線上螺栓孔周圍有明顯的下凹，結合塞尺檢查結果發(fā)現(xiàn)：兩根引線只有螺栓孔周圍的連接面接觸了，其余部分均存在間隙。引線連接的接觸面不足是導致引線燒損的直接原因。2.引線懸空部位過長，轉子高速旋轉時產(chǎn)生的周期性振動，加劇了引線連接失效，是導致引線燒損的間接原因。

解決措施：1.后續(xù)引線連接安裝螺栓前，用專用夾具將兩根連接引線調(diào)平，確保在預緊之前兩個銅扁線能充分接觸，同時在螺母下增加厚墊板，確保螺栓的壓緊力均勻分布在引線連接的接觸面上。2.在引線連接部位增加輔助固定措施，減少引線懸空長度，增加引線連接的整體強度。

經(jīng)過改進后，此處引線連接再沒有發(fā)生燒損故障。

（二）圓柱導線與銅扁線連接發(fā)生燒損

以已發(fā)生燒損故障的發(fā)電機轉子引線連接為例介紹，詳細情況如下圖二：

通過分析和試驗驗證，得出以下結論： 1. 熱膨脹引起的螺桿預緊力下降約15.5%。 2. 涂抹螺紋鎖固劑對接觸電阻值的影響約10-15%。 3.? 銅螺母材質(zhì)雜質(zhì)含量高導致接觸電阻增加了40%。 4. 螺母與螺桿不垂直，導致壓接處損失接觸面約40%。

原因分析：此處引線連接燒損為4種綜合原因導致。失效機理主要原因是引線與銅平墊和銅螺母接觸不良，在高速旋轉和振動條件下，接觸電阻急劇增大導致過熱或虛接打火，引起引線燒損

解決措施：由于電機結構已固定，熱膨脹和熱沖擊無法徹底消除，只能對導致故障發(fā)生的85%的原因進行改進。具體措施如下： 1. 改進銅螺桿結構，在連接處增加六方凸臺，增大接觸面積，同時也避免了用底部螺母的螺紋導電。 2. 不再使用螺紋鎖固劑防松，改用扣片和雙螺母防松。 3. 嚴格檢測、控制銅螺母材質(zhì)和雜質(zhì)含量，減少接觸電阻。 4. 提高螺桿和螺母的螺紋加工精度，確保連接處實際接觸面符合要求，同時也避免了接觸面應力集中的風險。

上述改進實施后，該型轉子此處引線再未發(fā)生燒損故障。

四、結束語

引線連接是電氣產(chǎn)品設計和制造的基礎要求。雖然從表面上看此處結構并不復雜，但是產(chǎn)品具體應用中引線發(fā)生的燒損故障和帶來的經(jīng)濟損失卻不能忽視。因此，重視、加強基礎設計和基礎工藝十分重要，只有這樣才能避免“千里之堤，潰于蟻穴”。

作者簡介：

丁新（1982-）;性別：男;籍貫：山西省永濟市;學歷：本科，職稱：高級工程師;單位名稱：中車永濟電機有限公司;研究方向：電機電器設計與制造。