中壓開關(guān)柜導(dǎo)電排的設(shè)計與仿真分析

趙 穎

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，福建 廈門 361012)

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，電能的需求量也與日俱增，電力系統(tǒng)中離用戶最近的電網(wǎng)負(fù)荷分配的中低壓核心開斷設(shè)備—開關(guān)柜的用量也越來越大，其在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著受電、饋電以及保護(hù)的作用，開關(guān)柜的性能對電網(wǎng)的安全生產(chǎn)和可靠運行起著決定性作用[1]。而作為開關(guān)柜的核心運行部分的導(dǎo)電排的熱效應(yīng)和力效應(yīng)都是關(guān)乎開關(guān)柜能否長期穩(wěn)定運行的核心技術(shù)，導(dǎo)電排也稱母排或者母線，短路事故絕大部分發(fā)生在母線部位，母線故障是電氣設(shè)備故障最嚴(yán)重的一種故障形式，因此，母線的正確選擇顯得極為關(guān)鍵。目前，國內(nèi)較多采用工程計算的方式外對中壓開關(guān)進(jìn)行熱效應(yīng)分析，這種方式有其局限性，受材料熱時間常數(shù)影響較大，計算整體分布情況也較復(fù)雜。而目前開關(guān)柜導(dǎo)電排均采用銅排并在搭接面鍍銀，尺寸普遍大于理論故障狀態(tài)下熱效應(yīng)及力效應(yīng)需求，因此增加了有色金屬的需求量，增加了開關(guān)柜的成本。本文以10 kV，650 A開關(guān)柜為例，現(xiàn)今各開關(guān)柜廠家此規(guī)格的開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)電排尺寸均為單個銅排，尺寸為80 mm×10 mm，搭接面尺寸為80 mm×80 mm，鍍銀，安裝孔距為40 mm；改進(jìn)后導(dǎo)電排尺寸為80 mm×6 mm，搭接面尺寸為80 mm×80 mm，不需鍍銀，安裝孔距為40 mm×40 mm四孔安裝。應(yīng)用工程計算方法以及采用ANSYS軟件進(jìn)行建模，并對改進(jìn)后的導(dǎo)電排進(jìn)行熱效應(yīng)和力效應(yīng)仿真分析，得出改進(jìn)方案的可行性。

1 Solidworks開關(guān)柜三維設(shè)計及ANSYS Maxwell電磁仿真軟件介紹

本文結(jié)合Solidworks三維設(shè)計軟件和ANSYS Maxwell電磁仿真，加快了建模的速度，提高了分析的準(zhǔn)確性。Solidworks做機械設(shè)計特別是鈑金件的設(shè)計有非常大的優(yōu)勢，本文利用Solidworks設(shè)計高壓開關(guān)柜的柜體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，柜內(nèi)分4個隔室，斷路器室、母線室、電纜室、低壓室(小母線室)，柜深為1 400 mm，根據(jù)到現(xiàn)場拼柜要求，開關(guān)柜的高度為2 250 mm，額定工頻耐受電壓為42 kV/1 min，額定雷電沖擊耐受電壓為75 kV。

本文主要對電纜室進(jìn)行有限元電磁仿真，我們將開關(guān)柜電纜室三維簡化模型導(dǎo)入ANSYS Maxwell中進(jìn)行分析，ANSYS Maxwell 電磁仿真軟件的網(wǎng)格劃分功能強大，計算結(jié)果準(zhǔn)確，非常適合開關(guān)柜導(dǎo)電排進(jìn)行電磁仿真耦合計算及分析，它的理論依據(jù)為電場微分方程[2](1)和磁場微分方程(2)：

(1)

(2)

通過有限元方法對式(1)～(2)進(jìn)行拉普拉斯求解得出電勢和磁勢，并利用Maxwell軟件的后處理能求取電磁場下的各個物理量。

圖1 開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 導(dǎo)電排力效應(yīng)的計算

母線一旦發(fā)生故障，后果將非常嚴(yán)重，不僅會導(dǎo)致大范圍停電，還會破壞供電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，故母線設(shè)計得合理與否將關(guān)系到整個供配電系統(tǒng)運行的可靠性[3]。

本文研究的開關(guān)柜為10 kV，額定電流650 A，加載額定短時耐受電流50 kA/s，峰值耐受電流為125 kA。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)母線從左到右排列分別為A、B、C三相，標(biāo)簽顏色分別為黃、綠、紅，相間距為150 mm，中間加樹脂隔板來防止相間放電；主母線的規(guī)格采用TMY-80×6×R5，母線設(shè)計主要從母線發(fā)熱以及動穩(wěn)定兩方面考慮。母線發(fā)熱與開關(guān)柜母線自身的材料、尺寸以及銅排的搭接面積相關(guān)，并且柜內(nèi)是否強制散熱也有很大影響，故比較復(fù)雜，一般不采用計算的方式來校驗，而是采用模擬的方式得出。對于三相銅排的電動力可以計算得出它的瞬時電流、穩(wěn)定電流以及短路電流等情況下的電動力[4]，而本文對動穩(wěn)定性校核由電動力及允許應(yīng)力兩部分組成[5]。

2.1 電動力計算

當(dāng)三相銅排垂直安裝并通三相交流電時，母線的電動力包括相間電動力和條間電動力兩部分,因650 A開關(guān)柜采用單銅排，所以條間電動力不需計算，只需要計算相間電動力。

因B相所受電動斥力及引力都比A和C相大，相間電動力公式取B相所受電動力計算，公式為：

(3)

式中：a為相間距離150 mm；K為母線截面形狀系數(shù)(由查曲線可知，b×h=6×80時，K=0.54)；ish為短路沖擊電流(kA)；L為母線絕緣子跨距500 mm。

2.2 應(yīng)力計算

判定是否滿足動穩(wěn)定應(yīng)力要求公式：

σy≥σ,

(4)

而單片母線應(yīng)力計算公式如公式(5)：

(5)

計算后得到結(jié)果見表1。

表1 應(yīng)力參數(shù)計算結(jié)果

經(jīng)計算，此設(shè)計的分支母線的動穩(wěn)定σ=162.375 MPa，小于母線材料的允許應(yīng)力σy=137 MPa,故此母線設(shè)計是合理的。

3 ANSYS Maxwell的仿真計算及分析

3.1 導(dǎo)電排力效應(yīng)的仿真

開關(guān)柜內(nèi)外部零部件多，外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸范圍變化的范圍大并且均有豐富的幾何特征，這些因素都將嚴(yán)重影響ANSYS網(wǎng)格劃分的質(zhì)量以及使得網(wǎng)格數(shù)量急劇增加，將導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗，甚至模型無法導(dǎo)入等問題，因此，建模時應(yīng)結(jié)合考慮模型的外部結(jié)構(gòu)，結(jié)合場域分布以及仿真的需求，合理地對原始模型進(jìn)行簡化[6]。本文主要是針對母線排進(jìn)行的優(yōu)化改進(jìn)，故簡化為三相母線排進(jìn)行仿真，并忽略對其影響不大的熱縮套管，最終模擬的力效應(yīng)最大值為94.56 N·m，如圖2所示，其值遠(yuǎn)小于允許應(yīng)力值。

圖2 三相銅排電磁力密度分布圖

3.2 熱效應(yīng)的ANSYS仿真

圖3為三相銅排的電流密度分布，圖4為三相母排磁感應(yīng)強度分布圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)母排的外表面及加工的邊角處的電流密度最大，而在中間位置電密比較小，這是由于電流的“趨膚效應(yīng)”引起的，所以電磁場在母線上的分布并不均勻。仿真通過計算得出最大電流密度為0.001 8A/mm2，其遠(yuǎn)小于國家規(guī)定的電密平均值2A/mm2。

圖3 三相銅排的電流密度分布圖

圖4 三相母排磁感應(yīng)強度分布圖

4 結(jié)語

本文對10 kV，650 A的導(dǎo)電排進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將母排厚度減少，將搭接面的鍍銀工藝省去，并進(jìn)行模擬仿真及計算，仿真過程中應(yīng)用Solidwork進(jìn)行輔助三維模型的設(shè)計，節(jié)約了模型設(shè)計時間；對模型進(jìn)行合理的簡化，節(jié)省仿真運算時間，并提高了計算機運算的效率?；贏NSYS Maxwell仿真實現(xiàn)對優(yōu)化后中壓開關(guān)柜母線的力效應(yīng)和熱效應(yīng)分析，得出優(yōu)化的可行性數(shù)據(jù)，將有效節(jié)約有色金屬耗量及減少加工工藝，為開關(guān)柜廠家工程施工提供了理論參考。