低压配电箱内铜排螺栓连接对接触电阻的影响分析

0引言

目前，国家电网公司最新的企业标准Q/GDW11221一2023《低压综合配电箱技术规范》将额定电流分为630、400、250、160、100A五档。以其中630A为例，选用典型DP-1-1方案，主母线选用60mmX6mm的铜排规格，馈线分支母线选用40mmX8mm的铜排规格，即在综合考虑生产成本及标准的情况下，铜排规格已基本限定。本文以60mmX6mm、40mmX8mm铜排为分析对象，首先简要概述接触电阻的成因，并分析螺栓连接下铜排搭接面的压强分布，再将搭接面细分成微小的圆环带，推导搭接面上接触电阻表达式，进一步分析采用多颗螺栓连接方式下的接触电阻，经过仿真分析以及实物测试得出结论。

1理论探究

根据电接触理论，当两个导体在外力Fj的作用下进行搭接时，会在搭接面上产生表面膜接触电阻Rb，此外由于电流通过搭接面时出现束流现象，产生束流电阻Rf，此时电接触电阻Rj就是表面膜接触电阻与附加束流电阻之和，考虑到电接触电阻量化计算难度较大，所以实际应用上，更多的是使用经验公式计算，即:

式中:K为与材料、接触面有关的系数;Fj为接触面间压力;面接触m取1。

低压综合配电箱内部铜排常采用螺栓连接形式，螺栓紧固的过程中，在铜排搭接面上会产生接触压强。查阅相关资料并进行简化，搭接面压强的分布趋势如图1所示，设铜排上螺栓孔半径为RM，其边缘处受力压强为PM，几乎可以忽略处的压强为PN，P1、P2为中间区域压强，其中PN<P2≤P1<PM。根据接触面上压强的大小将面分成不同的受力区域，当P>P2时为有效接触区，当PN<P<P2时为非有效接触区，当P<PN,时为无效接触区。

以螺栓孔中心为圆心，孔边缘为起点，随着到圆心的距离增大，接触压强逐渐降低，将接触压强相近区域连接在一起，就形成一圈等值圆环，在微分层面设圆环的内圆半径为r，宽度为dr，圆环的受力面积S即为2πrdr(当d足够小时，πd²相对2πrdr可近似忽略)，则单个圆环上接触压力Fi为2Pπrdr(压力=压强X面积，P为压强)，根据式(1)得出第i个圆环搭接面的接触电阻为:

式中:Ri为第i个圆环的接触电阻;P为第i个圆环所承受压强。

整个受力面上圆环接触电阻成并联关系，因此得出总的接触电阻Rj总满足如下公式:

式中:RM为铜排上螺栓孔半径;RN为铜排上压强忽略不计处半径。

通过查阅相关资料，有效接触区的压强很大，为主导因素，因此仅考虑有效接触区产生的接触电阻，将每段曲线内接触压力近似取平均值，取P1=PM+P1/2，取PⅡ=P1+P2/2，即单颗螺栓紧固时的接触电阻2简化为:

由以上分析可知，当采用螺栓紧固方式时，接触电阻主要集中在以螺栓孔心为圆心的有限半径圆内，超出一定距离后，接触电阻的变化较小;增大紧固力，对应产生的压强也越大，接触电阻越小，但接触电阻会趋于稳定值。

当采用多颗螺栓紧固时，中间部位出现受力重叠区，如图2所示。

假设螺栓1对A区产生的平均应力为F1，螺栓2对C区产生的平均应力为F2，在弹性变形范围内，根据叠加原理，两个螺栓对B区产生的合应力为F11+F22(F11为叠加前螺栓1对B区产生的应力，F2为叠加前螺栓2对B区产生的应力)。叠加前，代入式(1)后，总的接触电阻R叠前满足如下关系:

叠加后，代入式(1)后，总的接触电阻R叠后满足如下关系:

分析上式(5)(6)，当采用多颗螺栓进行紧固时，可以近似认为多颗螺栓产生的接触应力是单颗螺栓的线性叠加，即螺栓孔距大小对接触电阻产生的影响可以忽略不计，但螺栓孔与铜排边缘需保持一定距离，确保边缘处在有效应力范围内。

2仿真模拟

2.1单颗螺栓连接

三维建模如图3所示，铜排1规格为60mmX6mm(宽X厚)，铜排2规格为40mmX8mm，螺栓孔φ9mm，孔距边分别为20、30mm。

施加不同大小的紧固力，与螺栓孔心不同距离处的压强分布趋势如图4所示，数据如表1所示。

2.2 多颗螺栓连接

三维建模如图5所示，铜排1规格为60mmX6mm，铜排2规格为40mmX8mm，螺栓孔φ9mm，孔距边20mm，孔间距20mm。

施加不同大小的紧固力，与螺栓孔心不同距离处的压强分布趋势如图6所示，数据如表2所示。

3实物验证

查阅Kc相关资料，并考虑我司铜排加工工艺、安装条件，数值取1000uΩNm(当铜排面面搭接时，上标m=1)，分别加工制作4种铜排搭接方案，规格均为主铜排60mmX6mm，分支排40mmX8mm，孔直径φ11mm。方案一、二为单螺栓，孔距边分别为20、30mm;方案三、四为多螺栓，螺栓孔间距分别为20、30mm，实物如图7所示。

现场使用直流电阻测试仪、扭力扳手等进行测量，相关测试数据如表3所示。

4结论

通过分析以上仿真模拟以及实物测量数据变化趋势，关于铜排螺栓搭接得出如下结论:1)搭接面压强分布以螺栓孔心为中心，呈同心圆向外递减，递减幅度逐渐降低;接触电阻随着压强的增加，整体呈递减趋势，递减幅度逐渐减小，并趋于稳定值。
2)螺栓孔到边距离对接触电阻的影响有限，从充分利用螺栓产生的紧固力降低接触电阻的角度出发，需要保持螺栓孔到铜排边不小于一定距离。3)当采用多颗螺栓进行紧固，螺栓孔间距低于一定值时，形变会出现明显的叠加现象，在相等紧固力值下，多螺栓孔间距变化对接触电阻大小的影响不明显。

2025年《机电信息》第24期第1篇