趙 穎

(廈門海洋職業(yè)技術學院機電工程系，福建 廈門 361012)

0 引言

隨著經濟的快速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，電能的需求量也與日俱增，電力系統(tǒng)中離用戶最近的電網負荷分配的中低壓核心開斷設備—開關柜的用量也越來越大，其在電力系統(tǒng)中承擔著受電、饋電以及保護的作用，開關柜的性能對電網的安全生產和可靠運行起著決定性作用[1]。而作為開關柜的核心運行部分的導電排的熱效應和力效應都是關乎開關柜能否長期穩(wěn)定運行的核心技術，導電排也稱母排或者母線，短路事故絕大部分發(fā)生在母線部位，母線故障是電氣設備故障最嚴重的一種故障形式，因此，母線的正確選擇顯得極為關鍵。目前，國內較多采用工程計算的方式外對中壓開關進行熱效應分析，這種方式有其局限性，受材料熱時間常數影響較大，計算整體分布情況也較復雜。而目前開關柜導電排均采用銅排并在搭接面鍍銀，尺寸普遍大于理論故障狀態(tài)下熱效應及力效應需求，因此增加了有色金屬的需求量，增加了開關柜的成本。本文以10 kV，650 A開關柜為例，現今各開關柜廠家此規(guī)格的開關柜內導電排尺寸均為單個銅排，尺寸為80 mm×10 mm，搭接面尺寸為80 mm×80 mm，鍍銀，安裝孔距為40 mm；改進后導電排尺寸為80 mm×6 mm，搭接面尺寸為80 mm×80 mm，不需鍍銀，安裝孔距為40 mm×40 mm四孔安裝。應用工程計算方法以及采用ANSYS軟件進行建模，并對改進后的導電排進行熱效應和力效應仿真分析，得出改進方案的可行性。

1 Solidworks開關柜三維設計及ANSYS Maxwell電磁仿真軟件介紹

本文結合Solidworks三維設計軟件和ANSYS Maxwell電磁仿真，加快了建模的速度，提高了分析的準確性。Solidworks做機械設計特別是鈑金件的設計有非常大的優(yōu)勢，本文利用Solidworks設計高壓開關柜的柜體結構，如圖1所示，柜內分4個隔室，斷路器室、母線室、電纜室、低壓室(小母線室)，柜深為1 400 mm，根據到現場拼柜要求，開關柜的高度為2 250 mm，額定工頻耐受電壓為42 kV/1 min，額定雷電沖擊耐受電壓為75 kV。

本文主要對電纜室進行有限元電磁仿真，我們將開關柜電纜室三維簡化模型導入ANSYS Maxwell中進行分析，ANSYS Maxwell 電磁仿真軟件的網格劃分功能強大，計算結果準確，非常適合開關柜導電排進行電磁仿真耦合計算及分析，它的理論依據為電場微分方程[2](1)和磁場微分方程(2)：

(1)

(2)

通過有限元方法對式(1)～(2)進行拉普拉斯求解得出電勢和磁勢，并利用Maxwell軟件的后處理能求取電磁場下的各個物理量。

圖1 開關柜內部結構示意圖

2 導電排力效應的計算

母線一旦發(fā)生故障，后果將非常嚴重，不僅會導致大范圍停電，還會破壞供電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，故母線設計得合理與否將關系到整個供配電系統(tǒng)運行的可靠性[3]。

本文研究的開關柜為10 kV，額定電流650 A，加載額定短時耐受電流50 kA/s，峰值耐受電流為125 kA。根據國家標準母線從左到右排列分別為A、B、C三相，標簽顏色分別為黃、綠、紅，相間距為150 mm，中間加樹脂隔板來防止相間放電；主母線的規(guī)格采用TMY-80×6×R5，母線設計主要從母線發(fā)熱以及動穩(wěn)定兩方面考慮。母線發(fā)熱與開關柜母線自身的材料、尺寸以及銅排的搭接面積相關，并且柜內是否強制散熱也有很大影響，故比較復雜，一般不采用計算的方式來校驗，而是采用模擬的方式得出。對于三相銅排的電動力可以計算得出它的瞬時電流、穩(wěn)定電流以及短路電流等情況下的電動力[4]，而本文對動穩(wěn)定性校核由電動力及允許應力兩部分組成[5]。

2.1 電動力計算

當三相銅排垂直安裝并通三相交流電時，母線的電動力包括相間電動力和條間電動力兩部分,因650 A開關柜采用單銅排，所以條間電動力不需計算，只需要計算相間電動力。

因B相所受電動斥力及引力都比A和C相大，相間電動力公式取B相所受電動力計算，公式為：

(3)

式中：a為相間距離150 mm；K為母線截面形狀系數(由查曲線可知，b×h=6×80時，K=0.54)；ish為短路沖擊電流(kA)；L為母線絕緣子跨距500 mm。

2.2 應力計算

判定是否滿足動穩(wěn)定應力要求公式：

σy≥σ,

(4)

而單片母線應力計算公式如公式(5)：

(5)

計算后得到結果見表1。

表1 應力參數計算結果

經計算，此設計的分支母線的動穩(wěn)定σ=162.375 MPa，小于母線材料的允許應力σy=137 MPa,故此母線設計是合理的。

3 ANSYS Maxwell的仿真計算及分析

3.1 導電排力效應的仿真

開關柜內外部零部件多，外形結構復雜，尺寸范圍變化的范圍大并且均有豐富的幾何特征，這些因素都將嚴重影響ANSYS網格劃分的質量以及使得網格數量急劇增加，將導致網格劃分失敗，甚至模型無法導入等問題，因此，建模時應結合考慮模型的外部結構，結合場域分布以及仿真的需求，合理地對原始模型進行簡化[6]。本文主要是針對母線排進行的優(yōu)化改進，故簡化為三相母線排進行仿真，并忽略對其影響不大的熱縮套管，最終模擬的力效應最大值為94.56 N·m，如圖2所示，其值遠小于允許應力值。

圖2 三相銅排電磁力密度分布圖

3.2 熱效應的ANSYS仿真

圖3為三相銅排的電流密度分布，圖4為三相母排磁感應強度分布圖，從圖中可以發(fā)現母排的外表面及加工的邊角處的電流密度最大，而在中間位置電密比較小，這是由于電流的“趨膚效應”引起的，所以電磁場在母線上的分布并不均勻。仿真通過計算得出最大電流密度為0.001 8A/mm2，其遠小于國家規(guī)定的電密平均值2A/mm2。

圖3 三相銅排的電流密度分布圖

圖4 三相母排磁感應強度分布圖

4 結語

本文對10 kV，650 A的導電排進行優(yōu)化設計，將母排厚度減少，將搭接面的鍍銀工藝省去，并進行模擬仿真及計算，仿真過程中應用Solidwork進行輔助三維模型的設計，節(jié)約了模型設計時間；對模型進行合理的簡化，節(jié)省仿真運算時間，并提高了計算機運算的效率?；贏NSYS Maxwell仿真實現對優(yōu)化后中壓開關柜母線的力效應和熱效應分析，得出優(yōu)化的可行性數據，將有效節(jié)約有色金屬耗量及減少加工工藝，為開關柜廠家工程施工提供了理論參考。