配電柜排夾結(jié)構減重優(yōu)化設計

汪正煒，江 峰，黃逢昱

配電柜排夾結(jié)構減重優(yōu)化設計

汪正煒，江 峰，黃逢昱

(武漢船用電力推進裝置研究所 武漢 430064)

針對配電柜內(nèi)銅排短路電流產(chǎn)生很大的電動力，銅排容易失效，需要使用大量排夾，從而導致設備超重這一現(xiàn)象，對配電柜排夾進行優(yōu)化減重設計，在滿足結(jié)構強度的同時，合理設計排夾尺寸，使得重量最小。本文采用電－結(jié)構耦合有限元法得到承受短路電流時，銅排和排夾的應力響應。通過對比分析排夾不同尺寸的脊高、齒高和厚度對應力的影響得出規(guī)律，為排夾結(jié)構減重設計提供參考。

電動力 排夾 電－結(jié)構耦合 結(jié)構減重

0 引言

配電柜是電能輸送中轉(zhuǎn)設備，同時，當出現(xiàn)短路、過載和漏電時，起斷電保護作用。對于配電柜來說，銅排短路時具有很大的電流，其產(chǎn)生的電動力可能導致銅排失效，影響設備正常運行。因此，對銅排固定結(jié)構進行優(yōu)化設計，提高柜體機械強度，降低電動力所產(chǎn)生的不良影響，同時兼顧設備的重量，是配電柜研究的重要方向。

對于配電柜電動力方面的研究，蘭生[1]等針對變壓器遭受短路電流致使繞組變形這一問題，采用“磁場－結(jié)構場”耦合方法，計算分析其繞組短路時的輻向電磁力和輻向穩(wěn)定性，并按其實際參數(shù)進行結(jié)構屈服分析。王冬[2]使用理論推導以及仿真分析的手段對某型大電流開關柜銅排所受短路電流的電動力沖擊進行研究，優(yōu)化主母線固定方式，并通過銅排短路耐受試驗進行驗證。盛建平[3]、任成林[4]、張學強[5]等人對銅排短路電流產(chǎn)生的電動力進行仿真計算，分析銅排支撐方案的有效性，確保設備安全運行。

本文采用電－結(jié)構耦合有限元法對固定銅排的排夾結(jié)構進行仿真計算，從結(jié)構強度、體積重量以及所受電動力應力影響三方面進行分析，得到合理的排夾結(jié)構設計方案。

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，橫穿多個配電柜，而且受空間限制每相之間的距離較小，在進行短路電流耐受測試時，主母排受電動力會發(fā)生嚴重變形而失效。所以需要足夠強度的支撐和排夾對主母排進行支撐和固定。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，防止主母排受電動力引起嚴重變形。

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。

對排夾的結(jié)構，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)構強度的安全系數(shù)，但同時會增大設備的體積和重量，難以滿足船用設備對體積小、重量輕、結(jié)構緊湊的要求。本文采用控制變量法分別研究在短路情況下齒高值，脊高和厚度值對主母排和排夾受電動力應力響應的影響，從而得到綜合考慮體積重量和強度合適值。

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 仿真計算輸入

配電柜在短路試驗時，短路電流值隨時間變化的曲線如圖2所示。在20 ms一個周期內(nèi)，當其中一相電電流達到峰值時，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，此時相鄰主母排之間產(chǎn)生的相互排斥的電動力最大，工況最嚴酷。所以取0 ms（或20 ms）時刻的電流值作為本文仿真計算的工況值。此時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，本文將排夾跨距設定為固定值。排夾跨距（mm）可按下以下公式計算

式中：—矩形截面導體的形狀系數(shù)；

—短路電流（kA）；

—相間距離（m）；

—銅排的屈服強度（Pa）；

—匯流排截面系數(shù)。

3 電-結(jié)構耦合仿真計算過程

3.1 電計算過程

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

表4 電計算參數(shù)

將交流電短路電流在時刻0 ms的瞬間值分別加載到ABC三相銅排上，經(jīng)計算得到磁場強度云圖如圖3所示。可以看到兩處A相銅排附近的磁場強度最強，且大小相近，多個排上電流產(chǎn)生的磁場在該處發(fā)生了疊加；兩處C相銅排附近的磁場強度較弱，且大小相近；兩處B相附近的磁場強度最弱，幾乎為零，多個排上電流產(chǎn)生的磁場在該處發(fā)生了相互抵消。在遠離銅排的空間隨距離增加逐漸減弱，直至為零。

圖3 磁場強度云圖

通電銅排在磁場中會受到洛倫茲力即電動力。為了準確得到銅排在磁場中的受力狀態(tài)，通過提取銅排在磁場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最強，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，因為該處的磁場強度幾乎為零。

3.2 結(jié)構強度計算過程

在結(jié)構強度計算過程中，假設材料材質(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，其機械屬性如表5。

表5 材料機械屬性

將電計算得到的銅排單位體積力計算結(jié)果作為結(jié)構計算的輸入導入到結(jié)構計算中。將支撐設為固定，添加重力。經(jīng)計算得到結(jié)構電動力應力響應云圖如圖5所示。在該模型結(jié)構中排夾應力很小，兩處A相的銅排應力較大但遠小于銅排的屈服強度，B相和C相的銅排受力應力很小。所以可以對排夾的尺寸進行優(yōu)化減重。

圖5 電動力應力響應云圖

4 排夾尺寸優(yōu)化減重計算結(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，重新計算結(jié)構強度，提取銅排的綜合應力、排夾的綜合應力和剪切應力值，使用曲線擬合得到如圖6、圖7和圖8的應力曲線圖。由于排夾是由玻璃布層壓而成，受剪切容易分層失效，所以排夾的剪切應力超過材料的剪切強度也是判斷排夾結(jié)構是否破壞的一個準則。

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

圖6 隨齒高變化銅排和排夾的應力曲線

圖7 隨脊高變化銅排和排夾的應力曲線

如圖7所示，銅排和排夾的綜合應力，排夾的剪切應力都隨著脊高的增加而減小，且銅排綜合應力和排夾剪切應力對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，排夾綜合應力也降到了材料的強度極限以下，在超過≈35 mm，排夾綜合應力隨著脊高的增大不再繼續(xù)減小，也保持在一個很低的水平。

圖8 隨厚度變化銅排和排夾的應力曲線

如圖8所示，銅排和排夾的綜合應力，排夾的剪切應力都隨著厚度的增加而減小.銅排綜合應力和排夾剪切應力在厚度超過=15 mm，應力值平穩(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，對銅排和排夾的受力并沒有改善作用，只會徒增排夾的尺寸和重量。所以考慮到減重要求，在不超過材料強度的條件下應在飽和值以下取值。

5 結(jié)束語

本文使用電-結(jié)構耦合有限元仿真分析法，對銅排和排夾結(jié)構承受短路電流產(chǎn)生的電動力的應力響應進行了分析計算，并使用控制變量法分別對排夾的齒高、脊高和厚度變化對銅排和排夾應力的影響進行了對比分析，得到以下結(jié)論：

1）齒高取值，相對于銅排的寬度，即/約為1/5到1/3，既能保證銅排和排夾的結(jié)構強度，也不會超過飽和值而贅余。

2）脊高取值，相對于銅排的寬度，即/約為1/8到1/5，既能保證銅排和排夾的結(jié)構強度，也不會超過飽和值而贅余。

3）厚度取值，相對于銅排的厚度，即/約為1.5到2.5，既能保證銅排和排夾的結(jié)構強度，也不會超過飽和值而贅余。

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

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

[2] 王冬. 7500A低壓開關柜主母線系統(tǒng)設計與銅排多物理場仿真分析[D]. 江蘇大學, 2018.

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

[4] 任成林, 王帥卿, 張志剛, 胡秋玲, 石鵬, 黃陳雨龍.基于電動力計算的MMC子模塊母排設計校核及優(yōu)化方法[J]. 高壓電器, 2020, 56(09): 253-259.

[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): 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：機電一體化設計。E-mail：719021455@qq.com