船舶主配電板主匯流排設計與分析

冒如權郭 建方雄偉

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

船舶主配電板主匯流排設計與分析

冒如權1郭 建2方雄偉2

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

主配電板為船舶電力配電系統的重要組成部分，主匯流排作為主配電板的核心部分，關系到電力配電系統的安全可靠運行。文中闡述了船舶主配電板主匯流排的設計方法，主要包括船舶主配電板主匯流排規格選擇，以及結合短路電流計算對匯流排進行的熱穩定和動穩定校驗分析，并給出相關校核計算公式；最后通過三根矩形銅排并聯使用的主配電板設計實例介紹計算方法的具體應用。

主配電板；主匯流排；熱穩定；動穩定

引 言

合理地選用主匯流排是設計船舶主配電板的一項重要工作。主配電板主匯流排通過工作電流或短路電流時會引起匯流排發熱，且發生短路時，短路電流會在匯流排之間產生強大的電動力。故在設計主配電板主匯流排時必須保證匯流排所選用的導體材料及規格，使其在各種運行狀態下溫升不超過允許值，同時應確保短路電流所產生的電動力不會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計主要包括以下工作：

（1）根據負載電流選擇匯流排，包括截面、規格及表面處理方式等；

（2）根據短路電流校驗主匯流排的熱穩定；

（3）根據短路電流校驗主匯流排的動穩定。

1 匯流排的選擇

匯流排導體截面的選擇，是保證在匯流排各種運行狀態下溫升不超過允許值。

2012年CCS規范規定：“匯流排應由導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。”［2］

匯流排截面的選擇與匯流排的材料有關。本文匯流排的選擇主要考慮采用導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以外，還與散熱能力有關。散熱能力隨截面積的增大而減小，載流量不會隨截面積正比增長。承載大電流的匯流排通常用2～3根并聯使用，其載流量同樣不會隨并聯根數正比增長。匯流排的載流量還與表面的處理有關。表面涂色漆能增加輻射系數，增加載流量。涂黑色漆輻射能力最強。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，還起到標識和防止腐蝕的作用。

根據矩形銅排的尺寸和并聯的根數，有關資料提供了安全載流量的數據，作為選擇的依據。選擇時需要注意該數據的環境溫度和溫升。

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

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

表1是西門子公司提供匯流排載流量參考數據。最大短路電流是匯流排間距固定為70mm的數據。該公司的制作工藝是對匯流排的連接和出線采用側面塔接的方法，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據

下頁表2是從《船舶設計實用手冊（電氣部分）》［3］中摘錄出部分銅排載流量數據，環境溫度為45℃。表中的2并和3并數據是按照推薦的重疊系數得出。

下頁表3是德國GL 2002規范推薦的銅匯流排的載流量。依據的環境溫度為45℃，允許溫升為45℃。

表1已考慮到控制屏內的環境溫度，數據可以直接使用；表2、表3的數據需按控制屏內的實際環境溫度進行修正。

表2 涂漆銅排的載流量(A)45℃

表3 GL 2002規范推薦的銅匯流排的載流量(A)45℃

主匯流排的規格選定后需要確定支撐件（排夾）的尺寸和布置，然后進行熱穩定和動穩定的校驗。進行熱穩定和動穩定校驗需要系統設計提供有關的短路電流計算數據。如果無法提供可以根據發電機的數據估算。

推薦以下估算方法：最大對稱短路電流為可能參與并聯運行的所有發電機的額定電流總和的10倍，加上同時運行電動機總額定電流的3倍；短路功率因數假設為cosφ = 0.1，非對稱短路電流為對稱短路電流的2.45倍；同時運行電動機一般用等效電動機來表示，等效電動機容量為長期并聯運行發電機總容量的70%。

2 主匯流排熱穩定校驗

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

熱穩定校驗應滿足的條件為：

式中：S為所選擇的主匯流排截面，mm2；QS為短路電流熱效應，為最大對稱短路電流，A； t為短路持續時間，s；kf為集膚效應系數［4］；C為熱穩定系數，值可取表4所列的值［4］。

表4 不同工作溫度下的C值

表5 匯流排的集膚效應系數kf值

3 主匯流排動穩定校驗

動穩定校驗要求在通過短路電流峰值（非對稱短路電流）時，每跨匯流排中產生的最大應力計算值σmax不大于匯流排材料所允許的抗彎應力［σ］，即σmax≤［σ］ ，銅匯流排的［σ］=1 400 kg/cm2。

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

有兩個以上跨距，電動力產生的彎曲力矩M為：

表6 矩形匯流排截面系數Wcm3

對于每相選用3片匯流排并聯的，還應校驗片間應力的影響。片間襯墊的跨距l1必須小于片間臨界跨距lej。

根據《電力工程設計手冊》［4］中提供的“矩形銅母線計算用數據”的有關數據見表7。

表7 矩形銅母線計算用數據

4 某型船配電板主匯流排設計示例

本例電站最大運行工況為4臺發電機同時運行，長期并聯運行發電機為3臺，電站發電機額定電流為1 945 A。發電機提供的最大對稱短路電流為：4×1 945×10 = 77.8（kA）。等效電動機的總容量為三臺發電機并聯運行容量的70%，3×1 945×0.7 = 4.08（kA），則等效電動機提供的短路電流為：3×4.08 = 12.24（kA）；最大對稱短路電流為77.8+12.24 = 90.04（kA），最大非對稱短路電流為2.45×90.04 = 221（kA）。

4.1 發電機導電銅排的選用

本例電站發電機額定電流為1 945 A（即最大持續工作電流Imax= 1 945 A），選用銅排的額定電流Ie應滿足：Ie≥ Imax。考慮到該型船發電機主開關出線銅排寬度為80mm，選用的銅排寬度也應為80mm，初選80mm×10mm規格的銅排。

查看表1 -表3，單根80mm×10mm規格的銅排載流量都小于1 945 A，需要用2 （80mm×10mm），表中的載流量數據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據。例如用表3中GL的數據，環境溫度為45℃時，2（80mm×10mm）銅匯流排載流量為2 615 A，環境溫度需要按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電機額定電流總和的80%選用［5-6］。本例主配電板對應的電站有3臺發電機，選用的依據是：3×1 945×0.8 = 4 668（A）。系統設計選用的開關是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 主匯流排熱穩定校驗

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

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

考慮到熱穩定型式試驗的持續時間為1 s，按1 s校驗：

因此本例匯流排的截面選擇也滿足熱穩定型式試驗的要求。

4.4 主匯流排動穩定校驗

（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 = 94 cm，相間中心距a =11 cm，條間距2b =2 cm。

（2）相間電動力

兩根平行導體流過短路電流產生的電動力為：

有兩個以上跨距，電動力產生的彎曲力矩M為：

由表6查得，匯流排三根并聯、三相豎放的W = 3.33 hb2，則最大計算應力為：

σmax＞［σ］ ，因此動穩定性不滿足要求。

反向校核，求出最大允許跨距lmax，即：

因此增加一檔銅排夾，使跨距為470mm。同時因為選用3（120mm×10mm）匯流排，每相為3片并聯，還應校驗片間應力的影響。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，即最大非對稱短路電流，為221 kA。

片間襯墊的跨距l1必須小于片間臨界跨距lej，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，實際片間襯墊的跨距l1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。

片間作用應力為：

允許的相間應力：

檢驗相間最大允許跨距：

最終計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 論

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

［1］ 冒如權.艦船電力系統網絡結構分析［J］.船舶，2013（2）：55-59.

［2］ 中國船級社.鋼質海船入級規范2012［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［3］ 中國船舶工業總公司.船舶實用設計手冊（電氣分冊）［M］.北京：國防工業出版社，1997.

［4］ 戈東方.電力工程電氣設計手冊［M］.北京：中國電力出版社，1991.

［5］ 鄭純.基于動穩定校驗的低壓開關柜母線的設計［J］.機電工程技術，2006（7）：89-91.

［6］ 施億生，謝紹惠.船舶電站［M］.北京：國防工業出版社，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（1979-），男，工程師，研究方向：艦船電氣專業設計質量監督。

郭 建（1982-），男，工程師，研究方向：艦船電力系統設計。

方雄偉（1977-），男，碩士，高級工程師，研究方向：艦船電力系統設計。