中压开关柜导电排的设计与仿真分析

赵 颖

(厦门海洋职业技术学院机电工程系，福建 厦门 361012)

0 引言

随着经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高，电能的需求量也与日俱增，电力系统中离用户最近的电网负荷分配的中低压核心开断设备—开关柜的用量也越来越大，其在电力系统中承担着受电、馈电以及保护的作用，开关柜的性能对电网的安全生产和可靠运行起着决定性作用[1]。而作为开关柜的核心运行部分的导电排的热效应和力效应都是关乎开关柜能否长期稳定运行的核心技术，导电排也称母排或者母线，短路事故绝大部分发生在母线部位，母线故障是电气设备故障最严重的一种故障形式，因此，母线的正确选择显得极为关键。目前，国内较多采用工程计算的方式外对中压开关进行热效应分析，这种方式有其局限性，受材料热时间常数影响较大，计算整体分布情况也较复杂。而目前开关柜导电排均采用铜排并在搭接面镀银，尺寸普遍大于理论故障状态下热效应及力效应需求，因此增加了有色金属的需求量，增加了开关柜的成本。本文以10 kV，650 A开关柜为例，现今各开关柜厂家此规格的开关柜内导电排尺寸均为单个铜排，尺寸为80 mm×10 mm，搭接面尺寸为80 mm×80 mm，镀银，安装孔距为40 mm；改进后导电排尺寸为80 mm×6 mm，搭接面尺寸为80 mm×80 mm，不需镀银，安装孔距为40 mm×40 mm四孔安装。应用工程计算方法以及采用ANSYS软件进行建模，并对改进后的导电排进行热效应和力效应仿真分析，得出改进方案的可行性。

1 Solidworks开关柜三维设计及ANSYS Maxwell电磁仿真软件介绍

本文结合Solidworks三维设计软件和ANSYS Maxwell电磁仿真，加快了建模的速度，提高了分析的准确性。Solidworks做机械设计特别是钣金件的设计有非常大的优势，本文利用Solidworks设计高压开关柜的柜体结构，如图1所示，柜内分4个隔室，断路器室、母线室、电缆室、低压室(小母线室)，柜深为1 400 mm，根据到现场拼柜要求，开关柜的高度为2 250 mm，额定工频耐受电压为42 kV/1 min，额定雷电冲击耐受电压为75 kV。

本文主要对电缆室进行有限元电磁仿真，我们将开关柜电缆室三维简化模型导入ANSYS Maxwell中进行分析，ANSYS Maxwell 电磁仿真软件的网格划分功能强大，计算结果准确，非常适合开关柜导电排进行电磁仿真耦合计算及分析，它的理论依据为电场微分方程[2](1)和磁场微分方程(2)：

(1)

(2)

通过有限元方法对式(1)～(2)进行拉普拉斯求解得出电势和磁势，并利用Maxwell软件的后处理能求取电磁场下的各个物理量。

图1 开关柜内部结构示意图

2 导电排力效应的计算

母线一旦发生故障，后果将非常严重，不仅会导致大范围停电，还会破坏供电系统的整体稳定性，故母线设计得合理与否将关系到整个供配电系统运行的可靠性[3]。

本文研究的开关柜为10 kV，额定电流650 A，加载额定短时耐受电流50 kA/s，峰值耐受电流为125 kA。根据国家标准母线从左到右排列分别为A、B、C三相，标签颜色分别为黄、绿、红，相间距为150 mm，中间加树脂隔板来防止相间放电；主母线的规格采用TMY-80×6×R5，母线设计主要从母线发热以及动稳定两方面考虑。母线发热与开关柜母线自身的材料、尺寸以及铜排的搭接面积相关，并且柜内是否强制散热也有很大影响，故比较复杂，一般不采用计算的方式来校验，而是采用模拟的方式得出。对于三相铜排的电动力可以计算得出它的瞬时电流、稳定电流以及短路电流等情况下的电动力[4]，而本文对动稳定性校核由电动力及允许应力两部分组成[5]。

2.1 电动力计算

当三相铜排垂直安装并通三相交流电时，母线的电动力包括相间电动力和条间电动力两部分,因650 A开关柜采用单铜排，所以条间电动力不需计算，只需要计算相间电动力。

因B相所受电动斥力及引力都比A和C相大，相间电动力公式取B相所受电动力计算，公式为：

(3)

式中：a为相间距离150 mm；K为母线截面形状系数(由查曲线可知，b×h=6×80时，K=0.54)；ish为短路冲击电流(kA)；L为母线绝缘子跨距500 mm。

2.2 应力计算

判定是否满足动稳定应力要求公式：

σy≥σ,

(4)

而单片母线应力计算公式如公式(5)：

(5)

计算后得到结果见表1。

表1 应力参数计算结果

经计算，此设计的分支母线的动稳定σ=162.375 MPa，小于母线材料的允许应力σy=137 MPa,故此母线设计是合理的。

3 ANSYS Maxwell的仿真计算及分析

3.1 导电排力效应的仿真

开关柜内外部零部件多，外形结构复杂，尺寸范围变化的范围大并且均有丰富的几何特征，这些因素都将严重影响ANSYS网格划分的质量以及使得网格数量急剧增加，将导致网格划分失败，甚至模型无法导入等问题，因此，建模时应结合考虑模型的外部结构，结合场域分布以及仿真的需求，合理地对原始模型进行简化[6]。本文主要是针对母线排进行的优化改进，故简化为三相母线排进行仿真，并忽略对其影响不大的热缩套管，最终模拟的力效应最大值为94.56 N·m，如图2所示，其值远小于允许应力值。

图2 三相铜排电磁力密度分布图

3.2 热效应的ANSYS仿真

图3为三相铜排的电流密度分布，图4为三相母排磁感应强度分布图，从图中可以发现母排的外表面及加工的边角处的电流密度最大，而在中间位置电密比较小，这是由于电流的“趋肤效应”引起的，所以电磁场在母线上的分布并不均匀。仿真通过计算得出最大电流密度为0.001 8A/mm2，其远小于国家规定的电密平均值2A/mm2。

图3 三相铜排的电流密度分布图

图4 三相母排磁感应强度分布图

4 结语

本文对10 kV，650 A的导电排进行优化设计，将母排厚度减少，将搭接面的镀银工艺省去，并进行模拟仿真及计算，仿真过程中应用Solidwork进行辅助三维模型的设计，节约了模型设计时间；对模型进行合理的简化，节省仿真运算时间，并提高了计算机运算的效率。基于ANSYS Maxwell仿真实现对优化后中压开关柜母线的力效应和热效应分析，得出优化的可行性数据，将有效节约有色金属耗量及减少加工工艺，为开关柜厂家工程施工提供了理论参考。