低压母线桥系统结构优化设计

孙 强

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

1 引言

母线桥是一种用在高低压开关柜与柜之间硬连接或电气柜与其他电气设备如变压器等之间硬连接的装置，它在整个供电系统中负责传输和分配电能，是供电系统传输部分的核心。它直接影响电气设备的电气性能、空间布局、走线方式等，具有安装简单、美观、紧凑、经济、安全等优点。近30年来广泛用于输配电、大型车间、石油行业、各种大型公共设施。

由于当母线桥通过大电流时在正常运行的过程中的工作噪音和振动较大，特别是当负荷增大时，以致于这个问题至今还在困扰着电力行业。经过研究，发现正常运行过程中，母线上的交变电流产生交变电磁场使母线桥箱体和母线因电磁感应而受到电磁力的作用，从而产生振动和噪声。这就使得我们在桥体结构方面要采用更加合理的设计方案和更多的优化措施，将电磁场的影响降到最低，才能降低噪声和振动。

2 母线桥结构示意

母线桥主要由以下结构组成：箱体、母排、绝缘件、各种支撑件等。为了方便安装运输，母线桥各部分单独焊接为部件，除底部外和两侧面，上部和端部都采用封板用螺钉固定，安装时可拆卸。各部件之间采用高强度螺栓和封板连接。箱体由2mm钢板直接焊接完成，箱体侧面一般开有鱼鳞状通风孔。母线截面为矩形，尺寸10mm×120mm。如果通大电流几千安时，每相母线需要双并，并由绝缘子支撑，绝缘子固定在横梁上，横梁用螺栓固定在侧壁上。

图1 母线桥3D有限元模型

3 母线桥噪声产生的原因

根据现场观察，电磁噪声和通风噪声是母线桥的主要噪声。其产生原因主要是交变电动力产生的箱体振动和母线振动；母线发热引起气体对流发热噪声；导磁部分磁质收缩引起的振动。其中电磁噪声明显大于通风噪声和其他噪声。导致封板振动进而使得整个系统产生噪声。

4 理论分析

4.1 电磁力计算

首先用谐波对母线桥电磁场进行分析。空间电荷和位移电流忽略不计；媒质量具有线性的磁导率。开始计算，在母线桥远场单元外边界设置A＝0，因为要计算母线桥内部母线和外壁中的涡流场，分别施加电压耦合和约束条件在通过电流的母线两端和箱体基座两端，设定母线和基座两端分别为等电位面。将正序电流加载到母线上，即A、B、C三相分别通电流 ：IZ＿120。，18＝I/＿0，Ic＝1/240。I为额定电流有效值。

图2 母线桥上的电磁力

图2所示为工作电流2000A时桥体上电磁力分布的情况。桥体上下封板两端与桥墩连接处所受电磁力的最大，电磁力沿母线桥长度方向上呈对称分布。这是母线在水平和竖直方向上产生的两个交变磁场相互叠加的结果。表1为不同工频电流时系统所选各点的电磁力。由表2可以知道，电流增大，电磁力增大，工作噪声也增大。

表1 不同电流下的电磁力

4.2 谐响应分析

对母线桥有限元模型进行谐响应分析。通过编写相应的程序提取节点电磁力并直接导入谐响应分析中。

图3 节点位移响应曲线

图3所示为不同位置处节点位移的响应曲线（工作环境为：电流为3500A激励频率为50 Hz时。）图3（a）为箱体上、下盖板中部节点位移响应曲线。箱体位移响应沿长度方向对称分布。箱体上封板的振动比下封板剧烈，这主要是因为上盖板用螺栓固定，而下盖板由焊接成形。图3（b）所示为箱体左、右侧板中部节点位移响应曲线。箱体右侧封板振动比左侧剧烈，这主要因为电磁力在左右侧板上大小不同造成的。箱体侧板在桥端部分振动较为剧烈。图3（c）所示为三相母线节点位移响应曲线。B相母线的振动比A、C相的振动幅度大。母线基座部分振动幅度比较大。由图4我们得出，母线桥各盖板的振动幅度不同，基座部分侧板的振动幅度最大，这是因为母线桥的在不同工作频率下的振动模态不同。

5 母线桥结构的优化

理论分析的结果不能直接给出系统的结构噪声，但从各模态振型我们可以得出结构的振动分布情况，从而发现系统的薄弱环节和可能发生的破坏区域，进而在设计与改进时使结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激振频率，这些可靠数据能为母线桥的结构改进提供依据。由计算可知，母线桥的箱体封板是系统中最主要的振源和辐射声源，其振动来自于：箱体自身在电磁力作用下产生的振动；母线的振动经联接件传递到箱体上产生的振动。因此，考虑从以下几个方面降低母线桥的噪声

5.1 外部设计

（1）桥体所有封板为2mm的冷轧钢板，面积大刚性差，可以通过加强箱体所有盖板的结构强度，控制盖板的绝对振动位移响应来降低噪声。为了加强散热，母线桥箱体的盖板和侧板上有冲压的鱼鳞状通风孔。如图4所示，在箱体上盖板上增开鱼鳞状通风孔可以产生降噪效果，因为通风孔使平板结构有立体突变，增加了上盖板的刚度。增开鱼鳞状通风孔降噪效果明显。并且原有设计中侧壁已开有通风孔，此方案工序增加少，整体结构改动较小，提高了整体散热和通风性能，具有良好的经济性和实用性。

图4 改进后的母线桥

（2）在箱体各部件连接处增加加强板，加强板用螺栓固定，均布在箱体边角位置。为了最大程度减小噪声，在加强板下安装橡胶缓冲密封垫，既可防止电磁力的产生，从而减小电磁场强度；又可以降噪隔音。

（3）在箱体侧板通风孔间距中压制长条形凹槽或边角处固定L型角板增加箱体各盖板的局部刚度。如图5所示，在各个封板的中间位置冲压凹槽或铆接角板。凹槽的深度为5mm，L角板厚度为5mm。

图5 箱体封板上压制凹槽

5.2 内部改进

（1）调整母线布局形式。涡流场分析可知，箱体的下底板所受电磁力较大。因此，为了减小下底板电磁力，我们可以尝试：将母线整体水平上移20mm；母线摆放呈品字形或母线全部竖直摆放时母线桥内电磁力分布的情况。几种母线摆放形式如图8所示。由于母线桥箱体和支撑横梁及绝缘子的限制，每相母线上移的最大距离只能为60mm。选取箱体各封板振动较大处的点，对比几种摆放情况时几个点的电磁力情况，可知，母线整体上移时母线桥各部分电磁力的分布较优。呈品字形摆放时上盖板所受电磁力增大，而且上盖板是螺栓固定；竖直摆放时，母线与固定横梁的接触面积变小，与侧板的相对面积增大，因此箱体四周的电磁力都有所增大。

图6 不同母线摆放形式示意图

（2）增加垫块数量。在每相双并母线中间等距离增加一个铜垫块。经过实验，在双并母线中间加入铜垫块后，各测试点的振动幅度均有所减小。其次在箱体内外侧焊接一定数量的角板，用于加强固定支撑。三相双并母线也可以使用夹具固定双层母线，两端用M12的螺栓固定在支撑横梁上，使得母线夹把双并母线夹紧，这样双并母线就不会因为相互吸引力而上下振动，从而降低噪声。

（3）减小绝缘子或母线夹的支撑跨距，特别是大电流的情况下，母线双并重量较大，挠度也较大，在大电磁力的作用下振动明显。

6 结束语

本文通过建立母线系统模型，计算了母线桥电磁力、谐响应和声学特性数值等，分析了母线桥振动及噪声产生的原因。结果证实母线桥系统由于大量平板结构导致活动性较高，固有频率密集分布，各种力导致系统共振频繁。通过系统内外两个部分的结构改进优化，分散固有频率，减小振动，从而降低噪音，具有良好的经济性和实用性。