配電柜排夾結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化設(shè)計(jì)

汪正煒，江 峰，黃逢昱

配電柜排夾結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化設(shè)計(jì)

汪正煒，江 峰，黃逢昱

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所 武漢 430064)

針對(duì)配電柜內(nèi)銅排短路電流產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，銅排容易失效，需要使用大量排夾，從而導(dǎo)致設(shè)備超重這一現(xiàn)象，對(duì)配電柜排夾進(jìn)行優(yōu)化減重設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，合理設(shè)計(jì)排夾尺寸，使得重量最小。本文采用電－結(jié)構(gòu)耦合有限元法得到承受短路電流時(shí)，銅排和排夾的應(yīng)力響應(yīng)。通過對(duì)比分析排夾不同尺寸的脊高、齒高和厚度對(duì)應(yīng)力的影響得出規(guī)律，為排夾結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)提供參考。

電動(dòng)力 排夾 電－結(jié)構(gòu)耦合 結(jié)構(gòu)減重

0 引言

配電柜是電能輸送中轉(zhuǎn)設(shè)備，同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)短路、過載和漏電時(shí)，起斷電保護(hù)作用。對(duì)于配電柜來說，銅排短路時(shí)具有很大的電流，其產(chǎn)生的電動(dòng)力可能導(dǎo)致銅排失效，影響設(shè)備正常運(yùn)行。因此，對(duì)銅排固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高柜體機(jī)械強(qiáng)度，降低電動(dòng)力所產(chǎn)生的不良影響，同時(shí)兼顧設(shè)備的重量，是配電柜研究的重要方向。

對(duì)于配電柜電動(dòng)力方面的研究，蘭生[1]等針對(duì)變壓器遭受短路電流致使繞組變形這一問題，采用“磁場(chǎng)－結(jié)構(gòu)場(chǎng)”耦合方法，計(jì)算分析其繞組短路時(shí)的輻向電磁力和輻向穩(wěn)定性，并按其實(shí)際參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)屈服分析。王冬[2]使用理論推導(dǎo)以及仿真分析的手段對(duì)某型大電流開關(guān)柜銅排所受短路電流的電動(dòng)力沖擊進(jìn)行研究，優(yōu)化主母線固定方式，并通過銅排短路耐受試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。盛建平[3]、任成林[4]、張學(xué)強(qiáng)[5]等人對(duì)銅排短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力進(jìn)行仿真計(jì)算，分析銅排支撐方案的有效性，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

本文采用電－結(jié)構(gòu)耦合有限元法對(duì)固定銅排的排夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、體積重量以及所受電動(dòng)力應(yīng)力影響三方面進(jìn)行分析，得到合理的排夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 配電柜排夾模型

配電柜主母排用于大電流的輸送，主母排跨距較大，橫穿多個(gè)配電柜，而且受空間限制每相之間的距離較小，在進(jìn)行短路電流耐受測(cè)試時(shí)，主母排受電動(dòng)力會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形而失效。所以需要足夠強(qiáng)度的支撐和排夾對(duì)主母排進(jìn)行支撐和固定。支撐固定方式如圖1所示。排夾分為上下兩部分，主母排架在端部排夾上，端部排夾固定在支撐上，支撐和配電柜的框架相連。端部排夾跨距較大的情況下，中部需增加排夾，防止主母排受電動(dòng)力引起嚴(yán)重變形。

圖1 配電柜排夾模型

配電柜輸送的電流為交流電，分為ABC三相，每相電使用4根主母排，總共12根主母排，采用間隔交叉并列平行布置的方式，每2根主母排一小組，ABC三相并列成一大組，然后并列成2大組，如圖1所示。

對(duì)排夾的結(jié)構(gòu)，在空間允許的情況下，增大排夾的齒高值，脊高和厚度無疑可以增大排夾結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全系數(shù)，但同時(shí)會(huì)增大設(shè)備的體積和重量，難以滿足船用設(shè)備對(duì)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的要求。本文采用控制變量法分別研究在短路情況下齒高值，脊高和厚度值對(duì)主母排和排夾受電動(dòng)力應(yīng)力響應(yīng)的影響，從而得到綜合考慮體積重量和強(qiáng)度合適值。

1）固定量：脊高=30 mm，厚度=30 mm，變量齒高取值如表1

表1 齒高a值（單位：mm）

2）固定量：齒高=80 mm，厚度=30 mm，變量脊高取值如表2

表2 脊高b值（單位：mm）

3）固定量：齒高=80 mm，脊高=30 mm，變量厚度取值如表3

表3 厚度t值（單位：mm）

2 仿真計(jì)算輸入

配電柜在短路試驗(yàn)時(shí)，短路電流值隨時(shí)間變化的曲線如圖2所示。在20 ms一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)其中一相電電流達(dá)到峰值時(shí)，其它兩相電電流大小和方向相同，且和另外一相電方向相反，此時(shí)相鄰主母排之間產(chǎn)生的相互排斥的電動(dòng)力最大，工況最嚴(yán)酷。所以取0 ms（或20 ms）時(shí)刻的電流值作為本文仿真計(jì)算的工況值。此時(shí)A相電電流為峰值，B相和C相電流值相同（峰值的一半）且和A相電流方向相反。

圖2 交流電短路電流曲線

主母排排布確定，主母排電流已知的情況下可以根據(jù)公式1計(jì)算得到排夾最大跨距，只要跨距小于該最大值，可以根據(jù)需要在合適的位置安放中部排夾，本文將排夾跨距設(shè)定為固定值。排夾跨距（mm）可按下以下公式計(jì)算

式中：—矩形截面導(dǎo)體的形狀系數(shù)；

—短路電流（kA）；

—相間距離（m）；

—銅排的屈服強(qiáng)度（Pa）；

—匯流排截面系數(shù)。

3 電-結(jié)構(gòu)耦合仿真計(jì)算過程

3.1 電計(jì)算過程

在電計(jì)算過程中忽略排夾和支撐對(duì)電流和磁場(chǎng)的影響，模型中只保留銅排，電流的介質(zhì)為純銅，磁場(chǎng)的介質(zhì)為空氣，銅排和空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率和導(dǎo)電率如表4。

表4 電計(jì)算參數(shù)

將交流電短路電流在時(shí)刻0 ms的瞬間值分別加載到ABC三相銅排上，經(jīng)計(jì)算得到磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖如圖3所示?？梢钥吹絻商嶢相銅排附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，且大小相近，多個(gè)排上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在該處發(fā)生了疊加；兩處C相銅排附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，且大小相近；兩處B相附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度最弱，幾乎為零，多個(gè)排上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在該處發(fā)生了相互抵消。在遠(yuǎn)離銅排的空間隨距離增加逐漸減弱，直至為零。

圖3 磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖

通電銅排在磁場(chǎng)中會(huì)受到洛倫茲力即電動(dòng)力。為了準(zhǔn)確得到銅排在磁場(chǎng)中的受力狀態(tài)，通過提取銅排在磁場(chǎng)中單位體積的矢量力，得到如圖4所示銅排單位體積力云圖。

圖4 銅排單位體積力云圖

可以看到兩處A相銅排的受力最大，大小相近且方向相反，A相的電流最大且該處的磁場(chǎng)最強(qiáng)，所以受力最大；兩處C相銅排的受力較小，大小相近方向相反；兩處B相銅排的受力最小，幾乎為零，因?yàn)樵撎幍拇艌?chǎng)強(qiáng)度幾乎為零。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算過程

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算過程中，假設(shè)材料材質(zhì)均勻且各向同性，連接位置穩(wěn)固可靠，尺寸皆為名義尺寸無誤差，固定處剛性無變形。支撐為Q235鋼板，銅排為純銅，排夾為環(huán)氧樹脂玻璃布層壓板，其機(jī)械屬性如表5。

表5 材料機(jī)械屬性

將電計(jì)算得到的銅排單位體積力計(jì)算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)計(jì)算的輸入導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)計(jì)算中。將支撐設(shè)為固定，添加重力。經(jīng)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)電動(dòng)力應(yīng)力響應(yīng)云圖如圖5所示。在該模型結(jié)構(gòu)中排夾應(yīng)力很小，兩處A相的銅排應(yīng)力較大但遠(yuǎn)小于銅排的屈服強(qiáng)度，B相和C相的銅排受力應(yīng)力很小。所以可以對(duì)排夾的尺寸進(jìn)行優(yōu)化減重。

圖5 電動(dòng)力應(yīng)力響應(yīng)云圖

4 排夾尺寸優(yōu)化減重計(jì)算結(jié)果

使用控制變量法按照表1、2和3中的尺寸分別調(diào)整排夾模型的齒高、脊高和厚度值，重新計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提取銅排的綜合應(yīng)力、排夾的綜合應(yīng)力和剪切應(yīng)力值，使用曲線擬合得到如圖6、圖7和圖8的應(yīng)力曲線圖。由于排夾是由玻璃布層壓而成，受剪切容易分層失效，所以排夾的剪切應(yīng)力超過材料的剪切強(qiáng)度也是判斷排夾結(jié)構(gòu)是否破壞的一個(gè)準(zhǔn)則。

如圖6所示，銅排和排夾的綜合應(yīng)力，排夾的剪切應(yīng)力都隨著齒高的增加而減小，在齒高=35 mm左右，應(yīng)力都降到了材料的強(qiáng)度極限以下，在超過=55 mm，應(yīng)力隨著齒高的增大不再繼續(xù)減小，都保持在一個(gè)很低的水平。

圖6 隨齒高變化銅排和排夾的應(yīng)力曲線

圖7 隨脊高變化銅排和排夾的應(yīng)力曲線

如圖7所示，銅排和排夾的綜合應(yīng)力，排夾的剪切應(yīng)力都隨著脊高的增加而減小，且銅排綜合應(yīng)力和排夾剪切應(yīng)力對(duì)脊高值的變化不敏感，基本都保持在很低的水平。在脊高=20 mm左右，排夾綜合應(yīng)力也降到了材料的強(qiáng)度極限以下，在超過≈35 mm，排夾綜合應(yīng)力隨著脊高的增大不再繼續(xù)減小，也保持在一個(gè)很低的水平。

圖8 隨厚度變化銅排和排夾的應(yīng)力曲線

如圖8所示，銅排和排夾的綜合應(yīng)力，排夾的剪切應(yīng)力都隨著厚度的增加而減小.銅排綜合應(yīng)力和排夾剪切應(yīng)力在厚度超過=15 mm，應(yīng)力值平穩(wěn)下來且保持在很低的水平。在厚度超過=25 mm，排夾綜合應(yīng)力隨著厚度的增大減小幅度逐漸變小，也保持在很低的值。

由上可知排夾的齒高、脊高和厚度尺寸在超過某一飽和值之后，對(duì)銅排和排夾的受力并沒有改善作用，只會(huì)徒增排夾的尺寸和重量。所以考慮到減重要求，在不超過材料強(qiáng)度的條件下應(yīng)在飽和值以下取值。

5 結(jié)束語

本文使用電-結(jié)構(gòu)耦合有限元仿真分析法，對(duì)銅排和排夾結(jié)構(gòu)承受短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析計(jì)算，并使用控制變量法分別對(duì)排夾的齒高、脊高和厚度變化對(duì)銅排和排夾應(yīng)力的影響進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1）齒高取值，相對(duì)于銅排的寬度，即/約為1/5到1/3，既能保證銅排和排夾的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也不會(huì)超過飽和值而贅余。

2）脊高取值，相對(duì)于銅排的寬度，即/約為1/8到1/5，既能保證銅排和排夾的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也不會(huì)超過飽和值而贅余。

3）厚度取值，相對(duì)于銅排的厚度，即/約為1.5到2.5，既能保證銅排和排夾的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也不會(huì)超過飽和值而贅余。

4）綜上優(yōu)化減重后，相對(duì)于傳統(tǒng)的排夾設(shè)計(jì)，體積和重量可以減小約40%。

[1] 蘭生, 胡忠平, 廖福旺, 原永濱. 短路電動(dòng)力對(duì)變壓器低壓繞組輻向穩(wěn)定性的研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2018, 22(05): 19-24.

[2] 王冬. 7500A低壓開關(guān)柜主母線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與銅排多物理場(chǎng)仿真分析[D]. 江蘇大學(xué), 2018.

[3] 盛建平, 馬揚(yáng). 低壓配電柜三相母線所受電動(dòng)力的分析[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2015, 28(02): 131-132.

[4] 任成林, 王帥卿, 張志剛, 胡秋玲, 石鵬, 黃陳雨龍.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): 253-259.

[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): 42-45.

Weight Optimum Design for the Copper Bar Clamp Structure of the Power Distribution Cabinet

Wang Zhengwei, Jiang Feng, Huang Fengyu

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM642

A

1003-4862（2021）11-0057-04

2021-04-15

汪正煒（1988-），男，工程師。研究方向：機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。E-mail：719021455@qq.com