船舶主配電板主匯流排設(shè)計(jì)與分析

冒如權(quán)郭 建方雄偉

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011 ；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

船舶主配電板主匯流排設(shè)計(jì)與分析

冒如權(quán)1郭 建2方雄偉2

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011 ；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

主配電板為船舶電力配電系統(tǒng)的重要組成部分，主匯流排作為主配電板的核心部分，關(guān)系到電力配電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。文中闡述了船舶主配電板主匯流排的設(shè)計(jì)方法，主要包括船舶主配電板主匯流排規(guī)格選擇，以及結(jié)合短路電流計(jì)算對(duì)匯流排進(jìn)行的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)分析，并給出相關(guān)校核計(jì)算公式；最后通過三根矩形銅排并聯(lián)使用的主配電板設(shè)計(jì)實(shí)例介紹計(jì)算方法的具體應(yīng)用。

主配電板；主匯流排；熱穩(wěn)定；動(dòng)穩(wěn)定

引 言

合理地選用主匯流排是設(shè)計(jì)船舶主配電板的一項(xiàng)重要工作。主配電板主匯流排通過工作電流或短路電流時(shí)會(huì)引起匯流排發(fā)熱，且發(fā)生短路時(shí)，短路電流會(huì)在匯流排之間產(chǎn)生強(qiáng)大的電動(dòng)力。故在設(shè)計(jì)主配電板主匯流排時(shí)必須保證匯流排所選用的導(dǎo)體材料及規(guī)格，使其在各種運(yùn)行狀態(tài)下溫升不超過允許值，同時(shí)應(yīng)確保短路電流所產(chǎn)生的電動(dòng)力不會(huì)引起匯流排的變形和絕緣支承損壞［1］。

船舶配電板主匯流排的設(shè)計(jì)主要包括以下工作：

（1）根據(jù)負(fù)載電流選擇匯流排，包括截面、規(guī)格及表面處理方式等；

（2）根據(jù)短路電流校驗(yàn)主匯流排的熱穩(wěn)定；

（3）根據(jù)短路電流校驗(yàn)主匯流排的動(dòng)穩(wěn)定。

1 匯流排的選擇

匯流排導(dǎo)體截面的選擇，是保證在匯流排各種運(yùn)行狀態(tài)下溫升不超過允許值。

2012年CCS規(guī)范規(guī)定：“匯流排應(yīng)由導(dǎo)電用電解銅或銅包覆的鋁合金制成。匯流排的最大允許溫升為45K?！保?］

匯流排截面的選擇與匯流排的材料有關(guān)。本文匯流排的選擇主要考慮采用導(dǎo)電用電解銅材料的矩形銅排。

匯流排的載流量，除了與其截面積有關(guān)以外，還與散熱能力有關(guān)。散熱能力隨截面積的增大而減小，載流量不會(huì)隨截面積正比增長。承載大電流的匯流排通常用2～3根并聯(lián)使用，其載流量同樣不會(huì)隨并聯(lián)根數(shù)正比增長。匯流排的載流量還與表面的處理有關(guān)。表面涂色漆能增加輻射系數(shù)，增加載流量。涂黑色漆輻射能力最強(qiáng)。表面涂漆一般可以提高載流量1.12～1.14倍。除了提高輻射能力外，還起到標(biāo)識(shí)和防止腐蝕的作用。

根據(jù)矩形銅排的尺寸和并聯(lián)的根數(shù)，有關(guān)資料提供了安全載流量的數(shù)據(jù)，作為選擇的依據(jù)。選擇時(shí)需要注意該數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度和溫升。

環(huán)境溫度是指艙室環(huán)境溫度，而控制屏內(nèi)的溫度比艙室環(huán)境溫度要高Δt，后門不封閉，一般Δt=5～10℃；后門封閉時(shí)Δt=15℃。選用匯流排所依據(jù)的環(huán)境溫度是控制屏內(nèi)的環(huán)境溫度，應(yīng)是45℃+Δt。考慮Δt為10℃或15℃時(shí)，最大允許溫升則分別是35℃或30℃。需要引入溫度校正系數(shù)，即

式中：It表示環(huán)境為t時(shí)的載流量，A；I表示環(huán)境為t0時(shí)的載流量，A；t為給出載流量的環(huán)境溫度，℃；ta為長期允許最高溫度，℃，一般取90℃；t0為實(shí)際環(huán)境溫度，℃；k為溫度校正系數(shù)。

表1是西門子公司提供匯流排載流量參考數(shù)據(jù)。最大短路電流是匯流排間距固定為70mm的數(shù)據(jù)。該公司的制作工藝是對(duì)匯流排的連接和出線采用側(cè)面塔接的方法，主匯流排采用厚度為10mm的銅排。

表1 西門子公司的匯流排載流量參考數(shù)據(jù)

下頁表2是從《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（電氣部分）》［3］中摘錄出部分銅排載流量數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度為45℃。表中的2并和3并數(shù)據(jù)是按照推薦的重疊系數(shù)得出。

下頁表3是德國GL 2002規(guī)范推薦的銅匯流排的載流量。依據(jù)的環(huán)境溫度為45℃，允許溫升為45℃。

表1已考慮到控制屏內(nèi)的環(huán)境溫度，數(shù)據(jù)可以直接使用；表2、表3的數(shù)據(jù)需按控制屏內(nèi)的實(shí)際環(huán)境溫度進(jìn)行修正。

表2 涂漆銅排的載流量(A)45℃

表3 GL 2002規(guī)范推薦的銅匯流排的載流量(A)45℃

主匯流排的規(guī)格選定后需要確定支撐件（排夾）的尺寸和布置，然后進(jìn)行熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定的校驗(yàn)。進(jìn)行熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有關(guān)的短路電流計(jì)算數(shù)據(jù)。如果無法提供可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)估算。

推薦以下估算方法：最大對(duì)稱短路電流為可能參與并聯(lián)運(yùn)行的所有發(fā)電機(jī)的額定電流總和的10倍，加上同時(shí)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)總額定電流的3倍；短路功率因數(shù)假設(shè)為cosφ = 0.1，非對(duì)稱短路電流為對(duì)稱短路電流的2.45倍；同時(shí)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)一般用等效電動(dòng)機(jī)來表示，等效電動(dòng)機(jī)容量為長期并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)總?cè)萘康?0%。

2 主匯流排熱穩(wěn)定校驗(yàn)

校驗(yàn)所選用的主匯流排截面S，是否大于或等于在短路時(shí)所允許的熱穩(wěn)定最小面積Smin。

熱穩(wěn)定校驗(yàn)應(yīng)滿足的條件為：

式中：S為所選擇的主匯流排截面，mm2；QS為短路電流熱效應(yīng)，為最大對(duì)稱短路電流，A； t為短路持續(xù)時(shí)間，s；kf為集膚效應(yīng)系數(shù)［4］；C為熱穩(wěn)定系數(shù)，值可取表4所列的值［4］。

表4 不同工作溫度下的C值

表5 匯流排的集膚效應(yīng)系數(shù)kf值

3 主匯流排動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)

動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)要求在通過短路電流峰值（非對(duì)稱短路電流）時(shí)，每跨匯流排中產(chǎn)生的最大應(yīng)力計(jì)算值σmax不大于匯流排材料所允許的抗彎應(yīng)力［σ］，即σmax≤［σ］ ，銅匯流排的［σ］=1 400 kg/cm2。

兩根平行導(dǎo)體流過短路電流產(chǎn)生的相間電動(dòng)力為：式中：F為短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力，kg；Ip為短路峰值電流，kA；k為電流類別系數(shù)，交流三相短路時(shí)k=1.76［4］；kx為形狀系數(shù)（0.95～1），取kx=1；l為支撐件跨距，cm；a為相間中心距，cm。

有兩個(gè)以上跨距，電動(dòng)力產(chǎn)生的彎曲力矩M為：

表6 矩形匯流排截面系數(shù)Wcm3

對(duì)于每相選用3片匯流排并聯(lián)的，還應(yīng)校驗(yàn)片間應(yīng)力的影響。片間襯墊的跨距l(xiāng)1必須小于片間臨界跨距l(xiāng)ej。

根據(jù)《電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》［4］中提供的“矩形銅母線計(jì)算用數(shù)據(jù)”的有關(guān)數(shù)據(jù)見表7。

表7 矩形銅母線計(jì)算用數(shù)據(jù)

4 某型船配電板主匯流排設(shè)計(jì)示例

本例電站最大運(yùn)行工況為4臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，長期并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)為3臺(tái)，電站發(fā)電機(jī)額定電流為1 945 A。發(fā)電機(jī)提供的最大對(duì)稱短路電流為：4×1 945×10 = 77.8（kA）。等效電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘繛槿_(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行容量的70%，3×1 945×0.7 = 4.08（kA），則等效電動(dòng)機(jī)提供的短路電流為：3×4.08 = 12.24（kA）；最大對(duì)稱短路電流為77.8+12.24 = 90.04（kA），最大非對(duì)稱短路電流為2.45×90.04 = 221（kA）。

4.1 發(fā)電機(jī)導(dǎo)電銅排的選用

本例電站發(fā)電機(jī)額定電流為1 945 A（即最大持續(xù)工作電流Imax= 1 945 A），選用銅排的額定電流Ie應(yīng)滿足：Ie≥ Imax?？紤]到該型船發(fā)電機(jī)主開關(guān)出線銅排寬度為80mm，選用的銅排寬度也應(yīng)為80mm，初選80mm×10mm規(guī)格的銅排。

查看表1 -表3，單根80mm×10mm規(guī)格的銅排載流量都小于1 945 A，需要用2 （80mm×10mm），表中的載流量數(shù)據(jù)顯示銅排均都能滿足要求。其中表2和表3需要換算出溫度修正后的數(shù)據(jù)。例如用表3中GL的數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度為45℃時(shí)，2（80mm×10mm）銅匯流排載流量為2 615 A，環(huán)境溫度需要按55℃修正，即

修正后為I = It·k = 2 615×0.88 = 2 306（A），修正后的載流量也能滿足要求。

4.2 主匯流排的選用

主匯流排一般是按發(fā)電機(jī)額定電流總和的80%選用［5-6］。本例主配電板對(duì)應(yīng)的電站有3臺(tái)發(fā)電機(jī)，選用的依據(jù)是：3×1 945×0.8 = 4 668（A）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的開關(guān)是4 000 A，因此主匯流排的額定電流按4 000 A選用。

在表1中，溫升為35℃、涂色漆匯流排的載流量3（100mm×10mm）為3 945 A，略微不足；3（120mm×10mm）為4 526 A，裕度足夠。

在表3中，涂有無光黑漆匯流排的載流量3（120mm×10mm）為5 290 A；修正后的載流量為I = It·k = 5 290×0.88 = 4 655（A）。

因此，選用3（120mm×10mm）且涂無光黑漆，能滿足要求。

4.3 主匯流排熱穩(wěn)定校驗(yàn)

查閱表4和表5，主匯流排工作溫度為90℃時(shí)，熱穩(wěn)定系數(shù)C為161，kf值為1.42，滿足熱穩(wěn)定的最小截面Smin為：

所選主匯流排截面S = 3×120×10 = 3 600（mm2），由于S＞Smin，因此滿足熱穩(wěn)定要求。

考慮到熱穩(wěn)定型式試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間為1 s，按1 s校驗(yàn)：

因此本例匯流排的截面選擇也滿足熱穩(wěn)定型式試驗(yàn)的要求。

4.4 主匯流排動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)

（1）匯流排安裝方式

匯流排相間中心距暫定11 cm，安裝方式見圖1。

圖1 匯流排安裝方式和尺寸

單根匯流排尺寸： h =12 cm，b =1 cm；匯流排安裝尺寸：跨距l(xiāng) = 94 cm，相間中心距a =11 cm，條間距2b =2 cm。

（2）相間電動(dòng)力

兩根平行導(dǎo)體流過短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力為：

有兩個(gè)以上跨距，電動(dòng)力產(chǎn)生的彎曲力矩M為：

由表6查得，匯流排三根并聯(lián)、三相豎放的W = 3.33 hb2，則最大計(jì)算應(yīng)力為：

σmax＞［σ］ ，因此動(dòng)穩(wěn)定性不滿足要求。

反向校核，求出最大允許跨距l(xiāng)max，即：

因此增加一檔銅排夾，使跨距為470mm。同時(shí)因?yàn)檫x用3（120mm×10mm）匯流排，每相為3片并聯(lián)，還應(yīng)校驗(yàn)片間應(yīng)力的影響。查閱表7，3（120mm×10mm）匯流排的片間臨界跨距為：

式中：ich為短路沖擊電流，即最大非對(duì)稱短路電流，為221 kA。

片間襯墊的跨距l(xiāng)1必須小于片間臨界跨距l(xiāng)ej，為此需在銅排夾跨距為47 cm的中間，即23.5 cm處的片間加一塊2 cm的襯墊。銅排夾的厚度為5 cm，實(shí)際片間襯墊的跨距l(xiāng)1為：l1= 23.5-1-2.5 = 20（cm）。此處：1為1/2襯墊，2.5為1/2母線夾的厚度。

片間作用應(yīng)力為：

允許的相間應(yīng)力：

檢驗(yàn)相間最大允許跨距：

最終計(jì)算得到相間最大允許跨距為61 cm，大于原確定的47 cm，因此可以使用。

5 結(jié) 論

本文提出了船舶主配電板設(shè)計(jì)過程中主匯流排的選擇、熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校核方法，參照方法可較好的完成圓角矩形銅排的船舶主配電板設(shè)計(jì)工作，作為示例的某型船三片豎放主匯流排主配電板設(shè)計(jì)方案，目前已裝船運(yùn)行多年，運(yùn)行情況良好。

［1］ 冒如權(quán).艦船電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析［J］.船舶，2013（2）：55-59.

［2］ 中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2012［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［3］ 中國船舶工業(yè)總公司.船舶實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)（電氣分冊(cè)）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997.

［4］ 戈東方.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國電力出版社，1991.

［5］ 鄭純.基于動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)的低壓開關(guān)柜母線的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2006（7）：89-91.

［6］ 施億生，謝紹惠.船舶電站［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1981.

Design and analysis of bus-bar of marine main switchboard

MAO Ru-quan1GUO Jian2FANG Xiong-wei2
(1. Representative Offi ce of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The most important part of marine power distribution system is main switchboard, and its key part is main bus-bar, which aff ects safety and reliability of the power distribution system. This paper describes the design method of the main bus-bar of marine main switchboard, mainly including its selection and verification and analysis of its thermal and dynamic stability combined with calculation of short circuit current. It also proposes the relevant verification calculation equations and introduces the practical application of a case of design of main switchboard with three rectangular copper bus-bar installed in parallel.

main switchboard; bus-bar; thermal stability; dynamic stability

U665.1

A

1001-9855（2014）05-0074-06

2014-02-24；

2014-04-25

冒如權(quán)（1979-），男，工程師，研究方向：艦船電氣專業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量監(jiān)督。

郭 建（1982-），男，工程師，研究方向：艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

方雄偉（1977-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。