CN203461951U - 一种铂金通道的电加热装置 - Google Patents

Abstract

一种铂金通道的电加热装置，结构中包括变压器、轴向分段设置于铂金通道上的法兰盘、以及在变压器的二次侧与法兰盘之间设置的电传导单元，关键在于：所述的电传导单元的结构中包括在变压器二次侧输出端设置的“L”型铜排、在法兰盘上设置的导电铜排、以及借助转接器首尾分别与“L”型铜排、导电铜排连接的一组电缆，变压器借助“L”型铜排、电缆及导电铜排的电传导配合形成对铂金通道的电加热结构。有效地减小了因移相运行产生的交流电的趋肤、临近、涡流效应造成的过大发热与电压损耗。

Description

一种铂金通道的电加热装置

技术领域

本实用新型属于玻璃基板制备技术领域，涉及一种铂金通道的电加热装置。

背景技术

铂金通道是连接于熔解玻璃的窑炉和成型玻璃板的马弗炉之间的工艺区段的设备，负责将窑炉送来的经熔解后富含气泡的玻璃液进行高温澄清、均化、搅拌、冷却之后输送给成型区段。铂金通道使用多种电加热方式对玻璃液进行加热。按照大的分类，铂金通道的电加热方式分为直接加热和间接加热两大类。直接加热是将经变压器降压后的交流电通过“L”型铜排3-1、及软连接5接入铂金通道的法兰盘上以对铂金通道本体进行加热的方法。间接加热则通过外围加热元件加热，通过保温材料传递至铂金通道本体进行加热的方法。通常使用的间接加热材料有硅钼棒、硅碳棒或铂金丝。

传统直接加热方式，即连接变压器与铂金通道本体的“L”型铜排3-1与软连接5结合形成的电传导结构具有很多弊端。归纳如下：

首先，“L”型铜排3-1与软连接5是由以铜为主的导电材料组成。根据欧姆定律，材质本身存在直流阻抗。其表达式为：                                                。其中：

ρ：制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆·米(Ω·m) ；

L：绕制成电阻的导线长度，国际单位制为米(m)；

S：导线横截面积，国际单位制为平方米(m²)；

R：电阻值，国际单位制为欧姆(Ω)。

直流电阻是普遍存在的，根据传热学原理：

物体假若需要以热传导方式传递热量，根据热传导公式：

。其中：

k是材料热导率，单位：W/m·k；

A是热传导所透过的面积，单位：m²；

ΔT是距离Δx表面上的差异温度，单位：℃；

Δx是材料两个平行表面间的距离，单位：m；

q_传导是热传导速率，单位：J/s，或W。

物体假若需要以热对流方式传递热量，根据热对流公式：

，其中：

Q_对流是面积A上的传热热量，单位：W；

h是表面对流传热系数，单位：W/m²·K；

A是热传导所透过的面积，单位：m²；

是固体壁面温度，单位：K；

是流体温度，单位：K。

物体假若需要以热辐射方式传递热量，根据热辐射公式（斯特藩-玻尔兹曼定律Stefan-Boltzmann law）：

， 其中：

是一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量，单位：J/s，或W；

是黑体的辐射系数，若为绝对黑体，则 

=1；

是斯特藩-玻尔兹曼常数或斯特藩常量，

；

是黑体表面面积，单位：m²；

是黑体表面绝对温度，单位：K。

综合以上传热学公式，我们发现：无论以哪种方式，物体传递热量的速率均与物体的表面积成正比。对于导体来说，其截面积越大，单位截面积所通过的电流（电流密度J（A/mm²））就越小。同时，导体通过一定电流会引起导体本身的发热。

根据功率公式，

。

根据电阻率公式：

，铜排室温电阻率为1.75×10^-8

。铜排的电阻率随温度变化，符合：

。其中，

是“L”型铜排3-1的电阻温度系数，其值为0.00393×10^-8/℃，表示表示铜排的直流电阻，

表示铜排在室温（20℃）时的电阻率。

“L”型铜排3-1具有较小的表面积，不利于热量的散失。随着温度的升高，铜排电阻率加大，产生较大压降及功率损失。

其次，铂金通道区域的直接加热工作于工频交流电移相工作模式。交流电由于存在趋肤效应、临近效应和涡流效应，故铜排及软连接的交流电阻

远大于

。

交流电的趋肤效应

趋肤效应（又称集肤效应）是指导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀的一种现象。随着与导体表面的距离逐渐增加，导体内的电流密度呈指数递减，即导体内的电流会集中在导体的表面。从与电流方向垂直的横切面来看，导体的中心部分电流强度基本为零，即几乎没有电流流过，只在导体边缘的部分会有电流。简单而言就是电流集中在导体的“皮肤”部分，所以称为集肤效应。产生这种效应的原因主要是变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场，与原来的电流相抵消。

在一个理想导体中，随着与导体表面的距离逐渐增加，导体内的电流密度 J 呈指数递减：

，其中：

Js 是导体表面的电流密度；

X表示电流与导体表面的距离；

δ 是一个和导体的电阻率以及交流电的频率有关的系数，称为趋肤深度。，其中：

ρ =导体的电阻率；

ω = 交流电的角频率 = 2π×频率；

 = 导体的绝对磁导率 =

，其中

是真空磁导率，

是导体的相对磁导率。

对于很长的圆柱形导体，比如导线来说，如果它的直径 D比δ大很多的话，它对于交流电的电阻将会相当于一个中空的厚度为δ的圆柱导体对直流电的电阻：

，其中：

L = 导线的长度；

D = 导线直径。

具体来说，假设I(r)是从离导线中心 r 处到导线表面的截面上通过的电流，I为截面上的总电流，那么有：

，其中：

Ber 和 Bei 为0 阶的开尔文-贝塞尔函数的相应原函数。

一般来说，在给定的频率下，使得导线对交流电的电阻增加百分之十的直径大约是：

。

以上的导线对交流电的电阻只对孤立的导线成立，对于两根临近的导线，交流电阻会受到临近效应的影响而显著增大。

交流电的临近效应

邻近效应是指当两条（或两条以上）的导电体彼此距离较近时，由于一条导线中电流产生的磁场导致临近的其他导体上的电流不是均匀地流过导体截面，而是偏向一边的现象。

相互彼此靠近且有交变电流通过的导体，不仅处于自身的电磁场中，还处于其他载流导体的电磁场中，所以每一个导体内的电流分布与单独存在时不同，这种效应称为邻近效应。频率越高，导体越靠得越近，邻近效应越显著。

临近效应的计算公式：

交流电的涡流效应

涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流所产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。

在特定假设条件下（均匀的材质、均匀的磁场、无趋肤效应等），由涡流引起的功率损失可有如下公式计算：

对于薄板：

，

对于薄线：

，其中：

B_P：磁通密度峰值（T）；

d：板厚或线径（m）；

f：交流电基波或谐波的频率（Hz）；

ρ：电阻率（Ω·m）；

D：渗透深度（m）。

综合以上情况，由于我们电加热功率较大（几kW至几十kW），且采用移相运行方式，具有很低的功率因数和丰富的谐波。这使得在使用单根或多根铜排作为导电材料时，各单次高次谐波因趋肤效应，在铜排的表面叠加，使得铜排表面一定深度范围内电流密度急剧增加，为平均电流密度的几倍至几十倍。而铜排内部，因电流趋肤之后，通过较少的电流。铜排有效导电截面积急剧缩小，同时铜排温度，尤其是铜排表面温度升高较多。

由于临近效应，当两根或多根铜排并行铺设时，相邻两根铜排内侧电流会因磁电作用，电流分布变小，而外侧电流分布变大。这样，有效铜排导电截面积在趋肤效应减少的基础上，又进一步减少。

“L”型铜排3-1与软连接5在从变压器二次侧至通道法兰铜排行进的途中，会穿越很多碳钢或不锈钢制成的框架结构。涡流损耗的大小随框架结构距“L”型铜排3-1或软连接5的远近、框架结构的材质等的不同而不同。

再次，交流电移相调功调节模式产生了丰富的谐波。

谐波的定义

所谓谐波是一个数学或物理学概念，是指周期函数或周期性的波形中不能用常数、与原函数的最小正周期相同的正弦函数和余弦函数的线性组合表达的部分。

周期性波形的展开

根据傅立叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。

其展开式中，常数表达的部分称之为直流分量，最小正周期等于原函数的周期的部分称之为基波或一次谐波，最小正周期的若干倍等于原函数的周期的部分称之为高次谐波。

因此高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。

移相控制产生谐波的组成

谐波是频率达基频整数倍的电流或电压。如果基频为50Hz，那么第2谐波为100Hz，第3谐波为150 Hz等。当谐波频率占主导时，电加热铜排和变压器会与高频谐波产生的磁场形成机械共振。发生这种情况时，电加热铜排或变压器会振动并针对不同谐波频率发出蜂鸣声。第3到第25谐波频率是配电系统中最为常见的频率范围。

发明内容

本实用新型为了解决铂金通道使用“L”型铜排3-1及软连接5结构的加热方式带来的因散热不良、交流电趋肤效应、临近效应、涡流效应以及谐波等原因产生的铜排发热、交流阻抗过大及电加热效率较低等问题，研发了一种铂金通道的电加热装置，有效地减小了因移相运行产生的交流电的趋肤、临近、涡流效应造成的过大发热与电压损耗。

本实用新型采用的技术方案是：一种铂金通道的电加热装置，结构中包括变压器、轴向分段设置于铂金通道上的法兰盘、以及在变压器的二次侧与法兰盘之间设置的电传导单元，关键在于：所述的电传导单元的结构中包括在变压器二次侧输出端设置的“L”型铜排、在法兰盘上设置的导电铜排、以及借助转接器首尾分别与“L”型铜排、导电铜排连接的一组电缆，变压器借助“L”型铜排、电缆及导电铜排的电传导配合形成对铂金通道的电加热结构。

本实用新型的有益效果是：1、有效消除了传统铜排+软连接结构因无法一次延伸到位而在途中多次接头产生的压降损失；2、电缆结构由于具有更多的表面积，可使用更小的截面积进行载流使用，节省了铜材的使用；3、电缆结构具有足够的柔软度，施工与使用更加高效、灵活；4、电缆结构对于消除因移相运行产生的交流电的趋肤、临近、涡流效应造成的过大发热与电压损耗有一定的作用，实际使用中平均节省电压损耗约38-46%；5、运行中的更换更便捷，铜排+软连接方案若铜排或软连接连接处烧损，则必须将左右相邻单元电加热回路停电维修，维修难度与耗时、危险性均较大，而电缆结构可在线运行中将烧损电缆更换掉；6、铜排+软连接方案需要约25-28天施工才能完成，电缆方案仅需7-10天，缩短施工周期约3倍；7、降低故障发生率与维护成本，铜排+软连接方案在所有铜排间或与软连接间接头处在施工、升温、运行期间需要紧固约8000-10000根连接螺栓不少于5次，且个螺栓连接处均为一故障点，而电缆结构则大大减少了此类工作，同时带有防腐镀层并包在电缆中的铜线则无此问题。8、节电，电缆方案降低的电压损耗带来输入功率的减少可达15%以上。若一条线输入功率500kVA，年节电。若工业电价1.0元/kWh，节电65.7万元/年。

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图说明

    图1是现有技术中铜排+软连接的结构示意图。

    图2是现有技术中软连接与法兰盘的结构示意图。

    图3是本实用新型中铜排与电缆的连接结构示意图。

    图4是本实用新型中电缆与法兰侧的连接结构示意图。

图5是本实用新型中转接器的结构示意图。

图6是本实用新型中具体实施例的结构示意图。

    附图中，1是法兰盘，2是变压器，4是铂金通道，5是软连接，3-1是“L”型铜排，3-2是导电铜排，3-3是转接器，3-4是电缆，3-5是圆形裸端子,3-6是电流互感器，3-7是桥型铜排，3-8是中间衔接铜排。

具体实施方式

一种铂金通道的电加热装置，结构中包括变压器2、轴向分段设置于铂金通道4上的法兰盘1、以及在变压器2的二次侧与法兰盘1之间设置的电传导单元，重要的是：所述的电传导单元的结构中包括在变压器2二次侧输出端设置的“L”型铜排3-1、在法兰盘3上设置的导电铜排3-2、以及借助转接器3-3首尾分别与“L”型铜排3-1、导电铜排3-2连接的一组电缆3-4，变压器2借助“L”型铜排3-1、电缆3-4及导电铜排3-2的电传导配合形成对铂金通道的电加热结构。

所述的电缆3-4的结构中包括直径为0.05-0.1mm无氧铜质芯线、及包裹于芯线外围的绝缘保护层。为了达到工艺要求的电缆之柔软度，电缆直径选为0.05-0.1mm；为了达到最佳导电率，电缆材质我们选用无氧铜。这样，电缆结构可在环境温度不高于80℃，铜线温度不高于180℃条件下长期使用，且高温下防腐蚀系能优异。

同样，为了在高趋肤效应及一定温度（160℃左右）下达到良好的导电性，我们对线芯镀层有一定要求，所述的芯线上还镀设有厚度为3.0-5.0μm的镍层。

所述的绝缘保护层是厚度为0.8-1.1mm的硅橡胶绝缘保护层。这样，电缆的散热性能大大提高。

所述的电缆3-4的两端部还设置有表面镀设有厚度不小于0.2mm的银层的圆形裸端子3-5，电缆3-4借助两端部的圆形裸端子3-5分别与“L”型铜排3-1侧的转接器及导电铜排3-2侧的转接器连接。

在“L”型铜排3-1与转接器3-3之间还设置有中间衔接铜排3-8、及在中间衔接铜排3-8上设置有电流互感器3-6。

在具体实施时，根据测量的谐波分布情况，依据趋肤深度公式

，我们可以计算对于特定频率的谐波可使用的最大电缆直径。在实际使用中，铜排温度大约在160℃。假设更改后电缆的导线温度与之相同，则根据电阻温度系数公式

，，

，

。这样，对于基波，趋肤深度计算如下：

对于三次谐波，趋肤深度计算如下：

对于五次谐波，趋肤深度计算如下：

对于七次谐波，趋肤深度计算如下：

……

各次谐波趋肤深度对应的电缆直径和电缆截面积如下：

表1

谐波次数	谐波频率（Hz）	趋肤深度（mm）	导线直径（mm）	电缆截面积（mm2）
					基波	50	11.72	23.45	431.77
3次谐波	150	6.77	13.54	143.92
					5次谐波	250	5.24	10.49	86.35
7次谐波	350	4.43	8.86	61.68
					9次谐波	450	3.91	7.82	47.97
11次谐波	550	3.53	7.07	39.25
					13次谐波	650	3.25	6.50	33.21
15次谐波	750	3.03	6.05	28.78
					17次谐波	850	2.84	5.69	25.40
19次谐波	950	2.69	5.38	22.72

从以上计算可以得出，对于较高次的谐波，为了有效减少因谐波产生趋肤效应的影响，电缆直径要足够小。但是，较细的电缆会导致更多的电缆根数、材料成本的增加以及电缆两端连接与中间固定的难度。故此，我们在施工中会采用折中方案，兼顾减少谐波效应的影响与材料成本及施工难度。

为了达到工艺要求的电缆之柔软度，我们对单股导体的线芯直径有着特殊的要求，一般线芯直径在0.05-0.1mm之间。同样，为了在高趋肤效应及一定温度（160℃左右）下达到良好的导电性，我们对线芯镀层有一定要求，表面镀镍，镀层厚度在3.0-5.0μm。当然，为了达到最佳导电率，导体材质我们选用无氧铜。这样，电缆结构可在环境温度不高于80℃，铜线温度不高于180℃条件下长期使用，且高温下防腐蚀系能优异。电缆外皮采用硅橡胶绝缘，硅橡胶标称厚度仅为0.8~1.1mm。这样，电缆的散热性能大大提高。对于每一根铂金通道法兰铜排，我们根据其上通过的电流，与每根电缆设计最大通过电流计算需要使用的电缆根数，再预留15%~20%的通电余量。电缆每隔一定长度，通过安装在现场的分布式电缆卡子支架进行固定。这样，不仅美观，亦利于散热和维修。电缆通过圆形裸端子与铂金通道法兰铜排及变压器引出的“L”型铜排进行连接。端子表面镀银，镀层厚度不小于0.20mm。

具体地，以电缆的总载流量为5000A为例，查表1：17次谐波，确定单根电缆的截面积为25mm2，通过电流：347A，若每根电缆通过电流208.3A，则5000A使用24根25 mm2电缆，故变压器2侧与法兰侧的转接器上开12个孔，可开在一侧或两侧，每侧6个孔，每孔两面接电缆3-4，具体可参见附图5。

变压器2侧可以采用跨接的方式将多个变压器连接起来。具体方法如下：变压器2侧输出端设置的“L”型铜排3-1上串接中间衔接铜排3-8，

在中间衔接铜排3-8上串接电流互感器3-6，然后再用桥型铜排3-7跨接的方法将多个变压器连接诶起来，具体可参见附图6。根据变压器2侧输出端的“L”型铜排3-1的位置不同，因而制作的“L”型铜排3-1与电缆3-4的转接器也分为中部连接方式和一端连接方式两种，使“L”型铜排3-1的连接合理且兼顾了电缆3-4的连接，最大限度的节省“L”型铜排3-1的使用量，使布线简洁合理。也可以不采用跨接的方法。变压器2输出端通过转接器3-3连接电缆3-4，转接器3-3连接在跨接后的“L”型铜排3-1输出端，两台变压器跨接后减少一个输出端。采用电缆的连接方式，电缆的布线的目标是相对应的加热法兰盘1，多根电缆采用专用的电缆固定支架固定，保证电缆相互间的绝缘和布线美观。

电缆3-4采用电缆桥架的布线方式，单独的桥架将电缆敷设到加热法兰盘1处。电缆3-4和加热法兰盘3的连接采用“V型”转接器，避开了法兰冷却水管1-1、及电缆3-4连接的干涉，同时具有柔性连接的特性，并避免因法兰盘1处温度过高、散热不良而造成电缆3-4损坏，确保电缆3-4的运行安全。

Claims (6)

1.一种铂金通道的电加热装置，结构中包括变压器（2）、轴向分段设置于铂金通道（4）上的法兰盘（1）、以及在变压器（2）的二次侧与法兰盘（1）之间设置的电传导单元，其特征在于：所述的电传导单元的结构中包括在变压器（2）二次侧输出端设置的“L”型铜排（3-1）、在法兰盘（1）上设置的导电铜排（3-2）、以及借助转接器（3-3）首尾分别与“L”型铜排（3-1）、导电铜排（3-2）连接的一组电缆（3-4），变压器（2）借助“L”型铜排（3-1）、电缆（3-4）及导电铜排（3-2）的电传导配合形成对铂金通道的电加热结构。

2.根据权利要求1所述的一种铂金通道的电加热装置，其特征在于：所述的电缆（3-4）的结构中包括直径为0.05~0.1mm无氧铜质芯线、及包裹于芯线外围的绝缘保护层。

3.根据权利要求2所述的一种铂金通道的电加热装置，其特征在于：所述的芯线上还镀设有厚度为3.0~5.0μm的镍层。

4.根据权利要求2所述的一种铂金通道的电加热装置，其特征在于：所述的绝缘保护层是厚度为0.8~1.1mm的硅橡胶绝缘保护层。

5.根据权利要求1所述的一种铂金通道的电加热装置，其特征在于：所述的电缆（3-4）的两端部还设置有表面镀设有厚度不小于0.2mm的银层的圆形裸端子（3-5），电缆（3-4）借助两端部的圆形裸端子（3-5）分别与“L”型铜排（3-1）侧的转接器及导电铜排（3-2）侧的转接器连接。

6.根据权利要求1所述的一种铂金通道的电加热装置，其特征在于：在“L”型铜排（3-1）与转接器（3-3）之间还设置有中间衔接铜排（3-8）、及在中间衔接铜排（3-8）上设置有电流互感器（3-6）。

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