低壓母線橋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫 強(qiáng)

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 引言

母線橋是一種用在高低壓開關(guān)柜與柜之間硬連接或電氣柜與其他電氣設(shè)備如變壓器等之間硬連接的裝置，它在整個(gè)供電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)傳輸和分配電能，是供電系統(tǒng)傳輸部分的核心。它直接影響電氣設(shè)備的電氣性能、空間布局、走線方式等，具有安裝簡單、美觀、緊湊、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)。近30年來廣泛用于輸配電、大型車間、石油行業(yè)、各種大型公共設(shè)施。

由于當(dāng)母線橋通過大電流時(shí)在正常運(yùn)行的過程中的工作噪音和振動(dòng)較大，特別是當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，以致于這個(gè)問題至今還在困擾著電力行業(yè)。經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)正常運(yùn)行過程中，母線上的交變電流產(chǎn)生交變電磁場使母線橋箱體和母線因電磁感應(yīng)而受到電磁力的作用，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。這就使得我們?cè)跇蝮w結(jié)構(gòu)方面要采用更加合理的設(shè)計(jì)方案和更多的優(yōu)化措施，將電磁場的影響降到最低，才能降低噪聲和振動(dòng)。

2 母線橋結(jié)構(gòu)示意

母線橋主要由以下結(jié)構(gòu)組成：箱體、母排、絕緣件、各種支撐件等。為了方便安裝運(yùn)輸，母線橋各部分單獨(dú)焊接為部件，除底部外和兩側(cè)面，上部和端部都采用封板用螺釘固定，安裝時(shí)可拆卸。各部件之間采用高強(qiáng)度螺栓和封板連接。箱體由2mm鋼板直接焊接完成，箱體側(cè)面一般開有魚鱗狀通風(fēng)孔。母線截面為矩形，尺寸10mm×120mm。如果通大電流幾千安時(shí)，每相母線需要雙并，并由絕緣子支撐，絕緣子固定在橫梁上，橫梁用螺栓固定在側(cè)壁上。

圖1 母線橋3D有限元模型

3 母線橋噪聲產(chǎn)生的原因

根據(jù)現(xiàn)場觀察，電磁噪聲和通風(fēng)噪聲是母線橋的主要噪聲。其產(chǎn)生原因主要是交變電動(dòng)力產(chǎn)生的箱體振動(dòng)和母線振動(dòng)；母線發(fā)熱引起氣體對(duì)流發(fā)熱噪聲；導(dǎo)磁部分磁質(zhì)收縮引起的振動(dòng)。其中電磁噪聲明顯大于通風(fēng)噪聲和其他噪聲。導(dǎo)致封板振動(dòng)進(jìn)而使得整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲。

4 理論分析

4.1 電磁力計(jì)算

首先用諧波對(duì)母線橋電磁場進(jìn)行分析。空間電荷和位移電流忽略不計(jì)；媒質(zhì)量具有線性的磁導(dǎo)率。開始計(jì)算，在母線橋遠(yuǎn)場單元外邊界設(shè)置A＝0，因?yàn)橐?jì)算母線橋內(nèi)部母線和外壁中的渦流場，分別施加電壓耦合和約束條件在通過電流的母線兩端和箱體基座兩端，設(shè)定母線和基座兩端分別為等電位面。將正序電流加載到母線上，即A、B、C三相分別通電流 ：IZ＿120。，18＝I/＿0，Ic＝1/240。I為額定電流有效值。

圖2 母線橋上的電磁力

圖2所示為工作電流2000A時(shí)橋體上電磁力分布的情況。橋體上下封板兩端與橋墩連接處所受電磁力的最大，電磁力沿母線橋長度方向上呈對(duì)稱分布。這是母線在水平和豎直方向上產(chǎn)生的兩個(gè)交變磁場相互疊加的結(jié)果。表1為不同工頻電流時(shí)系統(tǒng)所選各點(diǎn)的電磁力。由表2可以知道，電流增大，電磁力增大，工作噪聲也增大。

表1 不同電流下的電磁力

4.2 諧響應(yīng)分析

對(duì)母線橋有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析。通過編寫相應(yīng)的程序提取節(jié)點(diǎn)電磁力并直接導(dǎo)入諧響應(yīng)分析中。

圖3 節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線

圖3所示為不同位置處節(jié)點(diǎn)位移的響應(yīng)曲線（工作環(huán)境為：電流為3500A激勵(lì)頻率為50 Hz時(shí)。）圖3（a）為箱體上、下蓋板中部節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線。箱體位移響應(yīng)沿長度方向?qū)ΨQ分布。箱體上封板的振動(dòng)比下封板劇烈，這主要是因?yàn)樯仙w板用螺栓固定，而下蓋板由焊接成形。圖3（b）所示為箱體左、右側(cè)板中部節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線。箱體右側(cè)封板振動(dòng)比左側(cè)劇烈，這主要因?yàn)殡姶帕υ谧笥覀?cè)板上大小不同造成的。箱體側(cè)板在橋端部分振動(dòng)較為劇烈。圖3（c）所示為三相母線節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線。B相母線的振動(dòng)比A、C相的振動(dòng)幅度大。母線基座部分振動(dòng)幅度比較大。由圖4我們得出，母線橋各蓋板的振動(dòng)幅度不同，基座部分側(cè)板的振動(dòng)幅度最大，這是因?yàn)槟妇€橋的在不同工作頻率下的振動(dòng)模態(tài)不同。

5 母線橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

理論分析的結(jié)果不能直接給出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲，但從各模態(tài)振型我們可以得出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分布情況，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和可能發(fā)生的破壞區(qū)域，進(jìn)而在設(shè)計(jì)與改進(jìn)時(shí)使結(jié)構(gòu)的固有頻率避開其在使用過程中的外部激振頻率，這些可靠數(shù)據(jù)能為母線橋的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。由計(jì)算可知，母線橋的箱體封板是系統(tǒng)中最主要的振源和輻射聲源，其振動(dòng)來自于：箱體自身在電磁力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)；母線的振動(dòng)經(jīng)聯(lián)接件傳遞到箱體上產(chǎn)生的振動(dòng)。因此，考慮從以下幾個(gè)方面降低母線橋的噪聲

5.1 外部設(shè)計(jì)

（1）橋體所有封板為2mm的冷軋鋼板，面積大剛性差，可以通過加強(qiáng)箱體所有蓋板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，控制蓋板的絕對(duì)振動(dòng)位移響應(yīng)來降低噪聲。為了加強(qiáng)散熱，母線橋箱體的蓋板和側(cè)板上有沖壓的魚鱗狀通風(fēng)孔。如圖4所示，在箱體上蓋板上增開魚鱗狀通風(fēng)孔可以產(chǎn)生降噪效果，因?yàn)橥L(fēng)孔使平板結(jié)構(gòu)有立體突變，增加了上蓋板的剛度。增開魚鱗狀通風(fēng)孔降噪效果明顯。并且原有設(shè)計(jì)中側(cè)壁已開有通風(fēng)孔，此方案工序增加少，整體結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，提高了整體散熱和通風(fēng)性能，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

圖4 改進(jìn)后的母線橋

（2）在箱體各部件連接處增加加強(qiáng)板，加強(qiáng)板用螺栓固定，均布在箱體邊角位置。為了最大程度減小噪聲，在加強(qiáng)板下安裝橡膠緩沖密封墊，既可防止電磁力的產(chǎn)生，從而減小電磁場強(qiáng)度；又可以降噪隔音。

（3）在箱體側(cè)板通風(fēng)孔間距中壓制長條形凹槽或邊角處固定L型角板增加箱體各蓋板的局部剛度。如圖5所示，在各個(gè)封板的中間位置沖壓凹槽或鉚接角板。凹槽的深度為5mm，L角板厚度為5mm。

圖5 箱體封板上壓制凹槽

5.2 內(nèi)部改進(jìn)

（1）調(diào)整母線布局形式。渦流場分析可知，箱體的下底板所受電磁力較大。因此，為了減小下底板電磁力，我們可以嘗試：將母線整體水平上移20mm；母線擺放呈品字形或母線全部豎直擺放時(shí)母線橋內(nèi)電磁力分布的情況。幾種母線擺放形式如圖8所示。由于母線橋箱體和支撐橫梁及絕緣子的限制，每相母線上移的最大距離只能為60mm。選取箱體各封板振動(dòng)較大處的點(diǎn)，對(duì)比幾種擺放情況時(shí)幾個(gè)點(diǎn)的電磁力情況，可知，母線整體上移時(shí)母線橋各部分電磁力的分布較優(yōu)。呈品字形擺放時(shí)上蓋板所受電磁力增大，而且上蓋板是螺栓固定；豎直擺放時(shí)，母線與固定橫梁的接觸面積變小，與側(cè)板的相對(duì)面積增大，因此箱體四周的電磁力都有所增大。

圖6 不同母線擺放形式示意圖

（2）增加墊塊數(shù)量。在每相雙并母線中間等距離增加一個(gè)銅墊塊。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在雙并母線中間加入銅墊塊后，各測試點(diǎn)的振動(dòng)幅度均有所減小。其次在箱體內(nèi)外側(cè)焊接一定數(shù)量的角板，用于加強(qiáng)固定支撐。三相雙并母線也可以使用夾具固定雙層母線，兩端用M12的螺栓固定在支撐橫梁上，使得母線夾把雙并母線夾緊，這樣雙并母線就不會(huì)因?yàn)橄嗷ノΧ舷抡駝?dòng)，從而降低噪聲。

（3）減小絕緣子或母線夾的支撐跨距，特別是大電流的情況下，母線雙并重量較大，撓度也較大，在大電磁力的作用下振動(dòng)明顯。

6 結(jié)束語

本文通過建立母線系統(tǒng)模型，計(jì)算了母線橋電磁力、諧響應(yīng)和聲學(xué)特性數(shù)值等，分析了母線橋振動(dòng)及噪聲產(chǎn)生的原因。結(jié)果證實(shí)母線橋系統(tǒng)由于大量平板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致活動(dòng)性較高，固有頻率密集分布，各種力導(dǎo)致系統(tǒng)共振頻繁。通過系統(tǒng)內(nèi)外兩個(gè)部分的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，分散固有頻率，減小振動(dòng)，從而降低噪音，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。