開關柜短路峰值耐受能力校核設計

陳 濤，王 偉

開關柜短路峰值耐受能力校核設計

陳 濤1，王 偉2

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

開關柜在承受短路峰值電流工況下，銅排和柜體結構會受到巨大的電動力，可能引起結構變形或者斷裂等失效情況。本文使用有限元法，首先對通電銅排進行磁場計算，得到帶電銅排在短路電流激發的磁場中單位體積受到的電動力矢量，再將電動力矢量作為結構強度計算的輸入，計算得到銅排和柜體結構在重力和電動力綜合作用下的應力和變形，從而對該設備的抗短耐能力進行評估，發現其薄弱環節，對柜體結構設計提供指導。

開關柜 電動力 有限元法 抗短耐

0 引言

開關柜在短路情況下通過的電流是其在正常工作時的幾十上百倍，大電流激發的電動力對銅排和柜體的結構強度是一個巨大的考驗，所以在設計過程中必須充分考慮這一點。試驗驗證是一個非常可靠的辦法，但可能需要多次試驗多次改進才能通過試驗，增加了時間和資金成本。通過有限元仿真計算提前發現其薄弱環節并進行結構加強，保證試驗一次成功，可以大大縮減設計周期和成本。

對于短路電動力的研究，張曉戈[1]針對低壓成套設備在使用過程中發生短路故障時的短時大電流產生的電動力進行了分析與研究。孫娜[2]采用載荷傳遞的順序耦合方法,建立電纜金具系統的電磁-結構有限元模型,以虛位移法和麥克斯韋電磁理論為基礎,對電纜金具系統進行瞬態電磁場分析。任成林[3]給出一種通用的母排設計校核方法,對其電動力進行仿真計算,并對此分析給出優化建議。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力能力校核方法，仿真了不同短路工況下變壓器繞組電動力形變狀況,得到了變壓器繞組短路電流電動力形變規律。張學強[5]使用有限元法對某船配電板匯流排進行電磁和力學耦合分析,并將其結果同按IEC60865標準計算的結果進行比較。本文采用電－結構耦合有限元法對開關柜短路峰值耐受能力進行了校核設計。

1 開關柜短路峰值耐受分析模型

開關柜主要由斷路器、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。為了便于計算對模型進行了簡化處理，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 開關柜結構示意圖

在該結構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 銅排和支撐結構示意圖

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

表1 材料參數表

2 短路峰值耐受能力校核分析

2.1 仿真計算模型

有限元模型如圖3所示，全局采用邊長50 mm的正六面體網格對模型進行劃分，局部復雜型面不能使用正六面體劃分的地方，使用四面體網格。其單元數量有5494個和節點數量有30796個。

圖3 有限元模型

2.2 邊界條件及初始條件

結合開關柜實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置成固定，將穿墻支撐連接框架墻板的面也設置成固定；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 電動力計算結果

根據2.2節電流輸入經計算得到如圖6所示的銅排周圍磁場分布云圖。最大磁場強度B=0.7244T。距離銅排越近磁場強度越強，隨著距離增加磁場強度逐漸衰減至零。

電流載體在磁場中會受到洛倫茲力，在計算結果中可以輸出銅排在磁場中的受力情況。為了準確得到銅排的受力情況，本計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力很小。單相多根排之間產生的電動力較大，特別是有轉角的位置。

2.4 結構強度計算結果

將2.3節得到的銅排體積力導入到結構計算的輸入載荷中，將絕緣子和穿墻支撐和框架連接部分設置成固定約束，再加入一個重力載荷，計算得到銅排和支撐的應力云圖，如圖8所示。其應力最大值統計見表2。

圖6 磁場強度云圖

圖7 體積力云圖

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

表2 應力最大值

圖8 銅排綜合應力和支撐三向應力云圖

3 結論

本文采用電-結構耦合的仿真計算方法，對開關柜進行了抗短耐能力仿真評估。根據不同材料的機械屬性對其強度進行校核，提前發現薄弱環節和設計缺陷，為設計改進提供指導，保證其短路峰值耐受試驗一次成功通過，可以大大縮減開關柜的結構設計周期和試驗成本。

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

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

[3] 任成林, 王帥卿, 張志剛等.基于電動力計算的MMC子模塊母排設計校核及優化方法[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力能力評估方法[D].西安: 西安科技大學, 2020.

[5] 張學強.船舶配電板匯流排的短路電動力分析[J]. 船電技術, 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