變壓器輸入銅排短路受力仿真

王良俊，胡良果，楊光平，陳奉國

(施耐德電氣中國研發中心，上海 201203)

0 引言

變頻器是一種通過對電流頻率進行連續調節從而實現對電機節能控制的裝置。中壓變頻器普遍應用于采掘、水處理、冶金、化工等行業，是工業領域的重要產品。中壓變頻器主要由中壓變壓器、功率單元、控制單元等組成[1]，其中中壓變壓器一般為移相降壓變壓器。

中壓變頻器在運行過程中，可能因各種突發因素影響其正常運行。在變頻器開發設計過程中，需要充分考慮各種可能存在的影響因素，通過理論和實驗來評估和驗證突發因素對變頻器正常運行的影響。本文針對變壓器輸入銅排突發兩相短路，分析輸入銅排及其支架的受力情況，并進一步通過實驗驗證結構的可靠性，從而確保變頻器可靠運行。

1 變壓器輸入銅排模型

1.1 變頻器安裝電路

圖1 變頻器接線圖

如圖1所示，變壓器前端安裝有斷路器，斷路器對整個電路進行過載監測。斷路器額定耐受短路電流為31.5 kA，其觸發斷路時間為150 ms。在變壓器輸入銅排兩相間發生短路的情況下，需要輸入銅排及其支架耐受31.5 kA短路電流所產生的電磁力，直到斷路器切斷電路。

1.2 模型簡化

如圖2所示，變頻器在運行過程中，由于突發事件導致變壓器輸入銅排兩相間短路，短路的兩相通過有效值為31.5 kA短路電流。

圖2 變壓器兩相短路示意圖

由于受力分析只考慮銅排及其支架在短路電磁力下受力情況，故忽略變壓器上與輸入銅排短路關聯度不大的其余零件，留下輸入銅排、支架和電纜，如圖3所示。

圖3 輸入電纜、銅排、支架安裝簡圖

同時，由于不對電纜進行強度分析，只分析電纜中的短路電磁力對輸入銅排的作用，可將輸入電纜簡化為剛性銅棒，以簡化計算。

2 短路力理論計算及有限元仿真

2.1 短路力理論計算

2.1.1 銅排受力

間距為D、長度為L的平行導體分別通過電流I1和I2，相互間的安培力[2]為：

其中，μ0=4π×10-7N/A2。

本文變壓器輸入銅排相對位置如圖3所示，其中，L=80 mm，D=220 mm，I1=I2=44.5 kA。于是短路的兩相銅排間作用力為：

2.1.2 電纜受力

根據圖3可知電纜長L=515 mm，為了簡化計算，取間距D=220 mm，那么短路的兩相電纜間作用力：

2.1.3 單相銅排及其電纜合力

將銅排受力F1與電纜受力F2合成，如圖4所示，得到一相銅排及其電纜所受合力：

圖4 單相銅排及其電纜受力示意圖

2.2 短路力在Maxwell和Ansys里的耦合仿真及結論

2.2.1 Maxwell中的仿真

Maxwell是Ansys家族中優秀的電磁場仿真軟件，可用于電動機、變壓器、傳感器等電氣設備的電磁設計和仿真。Maxwell可以與Ansys許多模塊進行多物理場耦合。將Maxwell仿真結果中的熱、電磁力等導入Ansys流體、結構等模塊，可進一步分析設備溫度、應力等狀態要素，為設計提供參考。

本文將輸入銅排和電纜三維裝配導入Maxwell 3D，由于評估短路峰值電流下的受力情況，故可以將輸入電流在軟件中設置為短路峰值電流這一恒值。從而設置求解類型為靜磁場，銅排及電纜中加載短路峰值電流44.5 kA。

Maxwell計算得到各個零件(兩個銅排、兩根電纜)各自所受電磁力，力方向如圖5所示，力的各坐標軸分量及合力值見表1。

圖5 運用Maxwell分析銅排及電纜受力情況

表1 銅排及電纜受力值

比較上述理論計算和仿真結果發現，理論計算值小于仿真分析結果。理論計算針對理想模型，忽略了實際產品的形狀；同時又將電纜間距設為固定值，沒有考慮進實際產品中電纜間距的變化，實際電纜間距最小處遠小于理論計算所采用的間距值，而電磁力值與間距成反比，使得理論計算值偏小，造成較大偏差。經過比較，可以認為仿真短路力結果具有參考意義。可將Maxwell仿真值導入下一步針對銅排及其支架的應力分析。

2.2.2 Ansys中的仿真

將完整三維模型(包含銅排、電纜、支架)導入Ansys，通過Maxwell與Ansys耦合，讀入Maxwell的分析數據——體密度力，設置支架固定點為系統邊界固定點，如圖6所示。計算得銅排和支架最大應力如表2所示。通過表2可以判斷仿真材料應力小于許用應力，材料合格，結構可靠。

圖6 Ansys中的設置

表2 銅排及支架最大應力表

3 輸入銅排短路試驗驗證

根據試驗需要，準備圖7所示零件。試驗接線如圖8所示，輸入銅排兩相間連接電纜，模擬真實短路情況。通過后臺控制加載31.5 kA短路電流到輸入電纜，時間持續150 ms。

圖7 試驗用零件

圖8 試驗接線照片

試驗后發現夾持電纜的夾子(模擬真實安裝時電纜走線路徑上的固定)脫落，銅排和支架無變形，見圖9，試驗通過。試驗結果驗證了輸入銅排及其支架的結構能夠承受31.5 kA、持續150 ms的短路電流沖擊。

圖9 試驗后線路照片

圖10為試驗電路波形。表3為具體電壓電流值，電流有效值31.42 kA，峰值45.01 kA。

圖10 電路波形數據

表3 輸入電流、電壓值

4 結論

本文分析中壓變頻器中關鍵部件——變壓器的輸入銅排兩相間短路時的受力情況。通過理論計算有限元仿真，得到受力數據，得出輸入銅排及其支架能夠承受短路電磁力沖擊的結論，并通過實驗驗證了該結論的正確性。本文的仿真方法也可為需要電磁和結構強度聯合仿真的情況提供參考。