一種多極饋電母排的設計分析

楊英平，汪萬紫，張 俊，歐陽永峰，宋 錚

（海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室（湘潭電機股份有限公司），湖南湘潭 411101）

一種多極饋電母排的設計分析

楊英平，汪萬紫，張 俊，歐陽永峰，宋 錚

（海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室（湘潭電機股份有限公司），湖南湘潭 411101）

本文介紹了一種多極饋電母排的設計思路，在分析多極饋電母排供電軌電磁力的基礎上，選取最優的供電軌相序排列方式，然后在ANSYS軟件中對所取排列方式結構進行有限元分析計算，針對計算結果對結構進行優化，使其滿足饋電母排實際工況所需要求。

饋電母排 長導軌 電磁力 有限元分析

0 引言

隨著供輸電裝置饋電母排載流量的增大，饋電母排的優化設計受到越來越多生產廠家及科研院所的重視。文獻[1]針對減少母排電感、減少受力以及母排防護等考慮提出了一種母排設計原則及要點，文獻[2]主要針對母排的分布電感對高壓大容量變換器的母排進行了優化設計，文獻[3-5]則基于熱-固耦合場對大電流母排的熱場進行了計算并對影響母排發熱的影響因素進行了一定的分析。本文主要從多極饋電母排所受的電磁力出發，對多極饋電母排的供電軌排列及其整體結構強度進行分析，選取一同等結構尺寸情況下供電軌之間受力最小的供電軌排列方式，并對其結構進行了優化設計。

1 饋電母排結構

一種十二極瞬時工作制饋電母排的供電軌布局如下圖1所示，為U型開口式結構，供電軌布置為底部六極、左右兩側各三極布置。六相十二極供電軌為雙三相結構，供電軌采用六進六出構成雙三相閉合回路，兩個三相間相差30°相位角，母排載流電流最大值為15000 A，頻率50 Hz。

圖1 十二極饋電母排結構

該十二極供電母排結構為金屬供電軌通過絕緣化壓件安裝固定后用環氧樹脂整體澆注成型，固化后再對導軌進行表面加工處理。

2 饋電母排電磁力分析

帶電導軌在磁場中會受到電磁力的作用，所受電磁力與其所載電流及所處磁場強度成正比。

在ansoft14中建立十二極供電軌的二維模型如下，每極導軌截面積為400 mm2，兩相鄰導軌間相距8 mm，對每一導軌通幅值15000 A，頻率50 Hz的交流電，三相相序按ACB依次排列，其中B相比A相滯后120°相位角，C相比A相超前120°相位角。

圖2 十二極供電軌二維仿真模型

2.1 底部進兩側出排列

導軌相序排列為1、2、3為一個三相進線，7、8、9為出線，4、5、6為另一個三相進線，10、11、12為出線。激勵加載情況如下圖3所示。

圖3 激勵加載

運行仿真得導軌所受電磁力情況如圖 4所示，從圖中可以看出導軌最大受力約為 1250 N/m。

圖4 底部進兩側出排列受力

2.2 底部三相，兩側另一三相排列

導軌相序排列為1、3、5為一個三相進線，2、4、6為出線，7、8、9為另一個三相進線，10、11、12為出線，激勵加載情況如下圖5所示。

運行仿真得導軌所受電磁力如圖6所示，從圖中可以看出導軌最大受力約為1600 N/m。

圖5 激勵加載

圖6 底部三相，兩側另一三相排列受力

2.3 左側進右側出排列

導軌相序排列為9、7、2為一個三相進線，8、1、3為出線，4、6、11為另一個三相進線，5、10、12為出線，激勵加載情況如圖7所示。

圖7 激勵加載

運行仿真得導軌所受電磁力如圖8示，從圖中可以看出導軌最大受力約為1800 N/m。

圖8 左側進右側出排列受力

2.4 小結

通過以上三種供電軌電流相序排列分析比較，得出第一種即底部進兩側出排列方式供電軌母排所受的電磁力相較與第二種和第三種相序排列方式分別小22%和31%，從降低饋電母排受電磁力方面考慮，優選第一種饋電母排相序排列方式。

3 受力分析

針對優選的第一種相序排列方式計算所得出的供電軌所受電磁力，考慮絕緣支座對銅導軌整體支承，即1 m長的載流導軌對應1 m長的絕緣支承，絕緣支撐選用SMC化壓而成。在ANSYS中建立對其所受應力及變形進行有限元計算，其加載情況如圖9所示。

圖9 載荷加載

仿真計算得絕緣支撐件的變形及應力分布云圖如圖10所示。

圖10 絕緣支撐件變形及應力分布云圖

從圖可以看出，絕緣支撐件的最大變形為0.2×10-3mm，最大應力為0.6 MPa，絕緣支撐件強度所留裕量較大。但實際操作過程中，母排完全絕緣支承結構實施較困難，多采用分段支撐后再在間隙處填充絕緣填充物的結構。參照整體支撐絕緣支撐件的應變結果，設計一種分段支撐結構如圖11所示（不考慮絕緣填充物的強度加強作用）。其中單一支撐件寬度為 50 mm，兩支撐件之間相距266 mm，即1m長度范圍內采用4個絕緣支撐件支撐。

對圖 11所示的優化后分段支撐結構在ANSYS中對其強度重新進行分析計算，其變形及應力分布云圖如圖12所示。

從圖12可以看出，絕緣支撐件的最大變形為3×10-3mm，最大應力為6.5 MPa，絕緣支撐相對于整體全部支撐來說，變形及強度均增大了 10倍左右，但仍在材料及實際工況所能承受的安全裕度范圍之內，能夠滿足使用需求。

圖11 十二極供電軌分段支撐結構

圖12 優化后支撐件變形及應力云圖

4 結語

文章提出了一種多極饋電母排的設計方案：通過Ansoft對多極饋電母排結構中的不同相序排列方式導電軌的受力進行了仿真分析計算，選取所受電磁力最小的一種相序排列方式對絕緣支撐進行了結構強度計算，根據計算結果設計一種實際操作方便，且強度滿足實際工況要求的多極饋電母排方案。

[1]黃彭發. 大功率風電變流器中的母排設計[J]. 電源世界, 2012, (9): 55-59.

[2]易榮, 趙爭鳴, 袁立強. 高壓大容量變換器中母排的優化設計[J]. 電工技術學報, 2008, 23(8): 94-100.

[3]程鵬, 楊帆, 范豐英, 等. 基于熱-流耦合場的大電流母排熱場計算及影響因素分析[J]. 低壓電器,2013, (5): 14-20.

[4]丁斌, 徐耀良, 楊寧, 等. 大電流封閉母線磁-流-熱場耦合有限元分析[J]. 高壓電器, 2010, 45(8):31-34.

[5]張俊民, 侯振華, 張春朋, 等. 27.5 Kv GIS母線室三維溫度場數值計算[J]. 電工技術學報， 2011,26(12): 62-67.

Design Analysis of a Multi-pole Feed Bus

Yang Yingping, Wang Wanzi, Zhang Jun, Ouyang Yongfeng, Song Zheng
（Ocean Wind Power Technology and Detection State Key Laboratory, Xiangtan Electric Manufacturing Corporation Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China）

This paper introduces a design ideas of a multi-feed bus structure. Based on the analysis of multi-feed bus rail electromagnetic force, the optimal arrangement of power supply rail phase sequence is selected, and then the arrangement structure is calculated and analyzed in the Ansys software by finite element method. The structure is optimized according to calculation results to meet the actual required of feed bus.

feed bus; long supply rail; electromagnetic force; finite element method(FEM)

TM72

A

1003-4862（2017）10-0032-03

2017-01-18

楊英平（1987-），男，工程師。研究方向：電機設計及電磁場計算。E-mail: y_yp16@qq.com