铜铝排专题：铜排与铜排搭接电阻计算

铜排与铜排的连接，还有部分采用螺栓的连接方式，栓接时铜排的重叠长度、螺栓选型、数量，还有搭接面怎么处理，连接电阻都受什么影响？本文将进行初步的探讨。

一、铜排连接概述

铜母排的连接主要分为两类：一类是为将便于运输的短母排，组装成长距离导电母排的直线连接，另一类是为实现电源分配功能的 T 型连接。

无论哪种连接方式，都需要满足以下要求：具备足够的机械强度、抵抗外部环境因素影响、较低的电阻，且电阻值能在整个负载循环过程及连接的使用寿命内保持稳定。

常见连接方式主要包括螺栓连接、夹紧连接、铆接、钎焊和焊接，其中螺栓连接和夹紧连接因操作便捷，在实际应用中最为广泛。

图片来自：浙江人禾电子

二、主要连接方式特性

1、螺栓连接

通过重叠铜排，使用螺栓固定形成，结构紧凑、可靠且通用性强。

需要在铜排上钻孔或冲孔，可能干扰电流流向，接触压力均匀性略逊于夹紧连接，但实际应用中稳定性已得到充分验证，现场装配无难度。

2、夹紧连接

通过外部夹具夹紧重叠铜排形成，无需钻孔，不会干扰电流流动，接头电阻更低。

额外夹具板有助于减少循环负载下的温度波动，设计好的夹具可以提供均匀的接触压力，现场组装简便，但占用空间较大，制造成本也比较高。

3. 其他连接方式

铆接连接效果依赖施工人员的施工质量，接触压力难以控制，拆卸和维护均不方便，现场安装难度也较大；

钎焊连接除非用螺栓或夹具加固，在短路高温下易出现机械和电气性能失效，极少单独用于铜排连接；

焊接连接通过对接铜排端部焊接形成，电流承载能力不受影响，接头近似连续铜导体。

本文将重点介绍铜排搭接的螺栓连接和卡箍连接的相关内容。

三、搭接电阻构成及影响因素

卡箍连接或螺栓连接是通过在可控且持续的压力作用下，将两个平整表面紧密贴合而形成的，如图所示。

连接的电阻主要取决于以下两个因素：

1、流线效应电阻（R_s）：

电流流经接头时，流动路径发生偏移，由此产生的电阻称为流线效应电阻，也可称为扩散电阻。

2、接触电阻（R_i）：

接头界面处产生的电阻，也称为界面电阻。

3、连接总电阻（R_ j）：

连接的总电阻R_ j可表示为：

R_j=R_s + R_i

需要注意的是，上述公式仅适用于直流电路。

在交流电路中，还需考虑接头区域的集肤效应和邻近效应对电阻产生的影响，这些效应也会导致连接电阻发生变化。

四、流线效应电阻

电流通过重叠接头时流向会扭曲，仅部分材料参与导电，导致电阻增大。

流线效应电阻R_s的计算公式：

式中：

a—— 母排宽度（单位：mm）；

b—— 母排厚度（单位：mm）；

l—— 重叠长度（单位：mm）；

ρ—— 导体的电阻率（单位：mΩ・mm）；

e——电阻比，指的是由流线效应产生的电阻R_s与相同长度单段导体电阻R_b的比值

R_s—— 重叠区域的电阻（单位：mΩ，该电阻值未包含接触电阻，实际应用中需叠加接触电阻）。

在铜排宽度一致的情况下，该效应仅取决于重叠长度与铜排厚度的比值，与铜排宽度无关。

可以看出重叠长度与厚度比达到 2 前，流线效应快速减弱，超过 5 后减弱速率大幅放缓，所以过长的铜排重叠并无额外的益处，只需预留足够空间安装螺栓或夹具即可。

螺栓钻孔会进一步干扰电流流向，降低接头效率；螺栓孔应沿接头长度方向呈直线排列，如下图a所示；若将螺栓孔偏移排列（如图b），会加剧电流流动的紊乱程度，从而导致电阻增大。

将铜排端部倾斜 45° 以下可减少 15% 初始电阻，并降低电流循环下电阻增长速率。

五、接触电阻

接触电阻是接头电阻的关键组成部分，主要受接触面状态和施加压力影响。

1、接触面状态：

实际电接触仅发生在接触面离散的 “a 点”，其总面积大约只占重叠面积的 1%。需确保接触面平整，组装前需要打磨去除氧化层，形成大量凸起以增加接触点。

铜氧化膜形成缓慢且具有半导体特性，受压时可双向导电，优于铝氧化膜的绝缘特性，但仍建议使用专用接触剂填充铜排之间接触空隙，防止氧化腐蚀。

通常情况下，除非出于特殊的环境要求，否则不建议对铜 – 铜连接的接触面进行镀层处理。实际上，镀层处理可能会降低接头的稳定性：由于镀层材料通常质地较软，在高温环境下容易发生流动，导致接触压力下降。

2、施加压力：

一般来说，所使用螺栓的尺寸越大、数量越多，连接电阻就越低。

接触电阻随压力增大快速下降，压力达到 30N/mm² 后改善效果微弱，实际应用中接触压力不宜低于 7N/mm²，优选 10N/mm² 以上。

对于特定重叠面积的接头，其接触电阻可通过以下方式计算：从下图中获取单位面积（1mm²）的接触电阻值，再除以接头的重叠面积（单位：mm²），即可得到该接头的接触电阻。

（图注：纵轴为 1mm² 面积的电阻值（单位：mΩ），范围 0-5000mΩ；横轴为压力（单位：N/mm²），范围 0-60N/mm²）

在实际操作中，接触压力无法直接测量得出，通常需要通过螺栓的紧固扭矩来间接推算，具体可通过以下公式计算：

T = K * F * D

式中：

T—— 紧固扭矩（单位：Nm）；

K—— 常数，通常称为 “螺母系数”，具体数值可参考下表；

F—— 拉力（单位：kN）；

D—— 螺栓的公称直径（单位：mm）

总结：

文章虽然是电力行业铜排应用技术指南，但是对新能源铜排还是有借鉴意义的。

其中两个观点与我们平常观念可能有些不一样，大家可以讨论：

1、铜排重叠长度：铜排搭接重叠长度与厚度比达到2-3时达到最优。

2、铜 – 铜连接的接触面不建议电镀，使用前只需去除氧化层即可。

本文主要内容来自：铜业协会的铜母排设计与安装指南中David Chapman编写的铜母排连接

螺栓的选型、螺栓的配置、连接老化机制下次再讲，欢迎关注！

本篇文章来源于: 新能源安全技术