開關(guān)柜短路峰值耐受能力校核設(shè)計(jì)

陳 濤，王 偉

開關(guān)柜短路峰值耐受能力校核設(shè)計(jì)

陳 濤1，王 偉2

（1. 海軍駐上海第一軍事代表室，上海 201913；2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

開關(guān)柜在承受短路峰值電流工況下，銅排和柜體結(jié)構(gòu)會(huì)受到巨大的電動(dòng)力，可能引起結(jié)構(gòu)變形或者斷裂等失效情況。本文使用有限元法，首先對通電銅排進(jìn)行磁場計(jì)算，得到帶電銅排在短路電流激發(fā)的磁場中單位體積受到的電動(dòng)力矢量，再將電動(dòng)力矢量作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的輸入，計(jì)算得到銅排和柜體結(jié)構(gòu)在重力和電動(dòng)力綜合作用下的應(yīng)力和變形，從而對該設(shè)備的抗短耐能力進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)，對柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

開關(guān)柜 電動(dòng)力 有限元法 抗短耐

0 引言

開關(guān)柜在短路情況下通過的電流是其在正常工作時(shí)的幾十上百倍，大電流激發(fā)的電動(dòng)力對銅排和柜體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，所以在設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮這一點(diǎn)。試驗(yàn)驗(yàn)證是一個(gè)非?？煽康霓k法，但可能需要多次試驗(yàn)多次改進(jìn)才能通過試驗(yàn)，增加了時(shí)間和資金成本。通過有限元仿真計(jì)算提前發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，保證試驗(yàn)一次成功，可以大大縮減設(shè)計(jì)周期和成本。

對于短路電動(dòng)力的研究，張曉戈[1]針對低壓成套設(shè)備在使用過程中發(fā)生短路故障時(shí)的短時(shí)大電流產(chǎn)生的電動(dòng)力進(jìn)行了分析與研究。孫娜[2]采用載荷傳遞的順序耦合方法,建立電纜金具系統(tǒng)的電磁-結(jié)構(gòu)有限元模型,以虛位移法和麥克斯韋電磁理論為基礎(chǔ),對電纜金具系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)電磁場分析。任成林[3]給出一種通用的母排設(shè)計(jì)校核方法,對其電動(dòng)力進(jìn)行仿真計(jì)算,并對此分析給出優(yōu)化建議。于昌隆[4]提出了基于有限元分析的變壓器耐受累積短路電流電動(dòng)力能力校核方法，仿真了不同短路工況下變壓器繞組電動(dòng)力形變狀況,得到了變壓器繞組短路電流電動(dòng)力形變規(guī)律。張學(xué)強(qiáng)[5]使用有限元法對某船配電板匯流排進(jìn)行電磁和力學(xué)耦合分析,并將其結(jié)果同按IEC60865標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。本文采用電－結(jié)構(gòu)耦合有限元法對開關(guān)柜短路峰值耐受能力進(jìn)行了校核設(shè)計(jì)。

1 開關(guān)柜短路峰值耐受分析模型

開關(guān)柜主要由斷路器、框架、控制器、銅排和支撐組成。如圖1所示，控制器分布在前上部，斷路器位于前部隔室，銅排和它的支撐位于后部隔室。為了便于計(jì)算對模型進(jìn)行了簡化處理，去除前部隔室的包括斷路器和控制等部分，只保留后部隔室的銅排和直接支撐銅排的的絕緣子和穿墻支撐。

圖1 開關(guān)柜結(jié)構(gòu)示意圖

在該結(jié)構(gòu)中斷路器是將上部和下部的銅排接通，使其形成回路。去除了斷路器，但又能讓銅排形成完整回路，因此將斷路器連接的上下銅排進(jìn)行短接處理。其簡化處理后模型如圖2所示。

圖2 銅排和支撐結(jié)構(gòu)示意圖

開關(guān)柜銅排選用的材料為純銅，絕緣子和穿墻支撐材料都為環(huán)氧樹脂。該計(jì)算模型中的材料及其機(jī)械性能如表1。純銅為塑性材料，它的綜合應(yīng)力應(yīng)不超過其屈服強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂為非塑性材料，其拉伸應(yīng)力不超過材料的抗拉強(qiáng)度，壓縮應(yīng)力不超過材料的抗壓強(qiáng)度。

表1 材料參數(shù)表

2 短路峰值耐受能力校核分析

2.1 仿真計(jì)算模型

有限元模型如圖3所示，全局采用邊長50 mm的正六面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分，局部復(fù)雜型面不能使用正六面體劃分的地方，使用四面體網(wǎng)格。其單元數(shù)量有5494個(gè)和節(jié)點(diǎn)數(shù)量有30796個(gè)。

圖3 有限元模型

2.2 邊界條件及初始條件

結(jié)合開關(guān)柜實(shí)際安裝情況及抗短耐仿真評估要求，模型施加邊界條件如下：1）將絕緣子連接框架端設(shè)置成固定，將穿墻支撐連接框架墻板的面也設(shè)置成固定；2）重力方向如圖示方向。如圖4。

圖4 模型邊界條件

短路峰值電流值為p，輸入銅排為下部的兩個(gè)U型排，從U口輸入。輸出排位于上部，單相3根排輸出。兩路的電流大小相同，方向相反。為保證單相進(jìn)口電流和出口電流一致，上部單根排的電流大小為1，三根總共為1×3=p，下部U口單邊電流為2，總共為2×2=p。如圖5所示。

圖5 電流輸入輸出

2.3 電動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)2.2節(jié)電流輸入經(jīng)計(jì)算得到如圖6所示的銅排周圍磁場分布云圖。最大磁場強(qiáng)度B=0.7244T。距離銅排越近磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，隨著距離增加磁場強(qiáng)度逐漸衰減至零。

電流載體在磁場中會(huì)受到洛倫茲力，在計(jì)算結(jié)果中可以輸出銅排在磁場中的受力情況。為了準(zhǔn)確得到銅排的受力情況，本計(jì)算提取的是銅排單位體積受到的洛倫茲力（簡稱“體積力”），體積力云圖如圖7所示。最大體積力約為2.7×107N/mm3，主要分布在排轉(zhuǎn)直角位置。由體積力云圖可知，由于兩路排的距離較大，兩路之間相互作用的電動(dòng)力很小。單相多根排之間產(chǎn)生的電動(dòng)力較大，特別是有轉(zhuǎn)角的位置。

2.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

將2.3節(jié)得到的銅排體積力導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)計(jì)算的輸入載荷中，將絕緣子和穿墻支撐和框架連接部分設(shè)置成固定約束，再加入一個(gè)重力載荷，計(jì)算得到銅排和支撐的應(yīng)力云圖，如圖8所示。其應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)見表2。

圖6 磁場強(qiáng)度云圖

圖7 體積力云圖

由結(jié)果可知銅排的最大位移為4.9 mm，位于穿墻支撐的遠(yuǎn)端。支撐的最大位移很小為0.02 mm。銅排為純銅，屬于塑性材料，通過查看其綜合應(yīng)力，如果綜合應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度即視為合格。計(jì)算得到銅排的最大綜合應(yīng)力為128.6 Mpa小于其屈服強(qiáng)度170 Mpa，所以銅排滿足使用要求。支撐為環(huán)氧樹脂，屬于非塑性材料。由計(jì)算結(jié)果可知，支撐三個(gè)方向受到的最大拉應(yīng)力為23 Mpa，小于其最小拉伸強(qiáng)度35 Mpa。支撐三個(gè)方向受到的最大壓應(yīng)力為33 Mpa，小于其最小抗壓強(qiáng)度124 Mpa。所以支撐滿足使用要求。

表2 應(yīng)力最大值

圖8 銅排綜合應(yīng)力和支撐三向應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

本文采用電-結(jié)構(gòu)耦合的仿真計(jì)算方法，對開關(guān)柜進(jìn)行了抗短耐能力仿真評估。根據(jù)不同材料的機(jī)械屬性對其強(qiáng)度進(jìn)行校核，提前發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)缺陷，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供指導(dǎo)，保證其短路峰值耐受試驗(yàn)一次成功通過，可以大大縮減開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期和試驗(yàn)成本。

[1] 張曉戈.低壓成套設(shè)備短路電流的電動(dòng)力探析[J]. 電力設(shè)備管理, 2021, (04).

[2] 孫娜, 劉勝春, 愛斌等.大截面高壓電纜金具電磁-結(jié)構(gòu)瞬態(tài)耦合分析[J].中國電力, 2021, 54(04).

[3] 任成林, 王帥卿, 張志剛等.基于電動(dòng)力計(jì)算的MMC子模塊母排設(shè)計(jì)校核及優(yōu)化方法[J].高壓電器. 2020, 56(09).

[4] 于昌隆.基于有限元分析的變壓器抗短路電流電動(dòng)力能力評估方法[D].西安: 西安科技大學(xué), 2020.

[5] 張學(xué)強(qiáng).船舶配電板匯流排的短路電動(dòng)力分析[J]. 船電技術(shù), 2019, 39(12).

Checking Design of Short Circuit Peak Withstand Capacity of Switch Cabinet

Chen Tao1, Wang Wei2

(1. No.1 Navy Force Representative Bureau in Shanghai, Shanghai 201913, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

TM591

A

1003-4862(2021)08-0015-0003

2021-07-20

王偉（1977-），男，高級工程師。研究方向，艦船電氣。E-mail: hust_ww@163.com