开关柜短路峰值耐受能力校核设计

陈 涛，王 伟

开关柜短路峰值耐受能力校核设计

陈 涛1，王 伟2

（1. 海军驻上海第一军事代表室，上海 201913；2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

开关柜在承受短路峰值电流工况下，铜排和柜体结构会受到巨大的电动力，可能引起结构变形或者断裂等失效情况。本文使用有限元法，首先对通电铜排进行磁场计算，得到带电铜排在短路电流激发的磁场中单位体积受到的电动力矢量，再将电动力矢量作为结构强度计算的输入，计算得到铜排和柜体结构在重力和电动力综合作用下的应力和变形，从而对该设备的抗短耐能力进行评估，发现其薄弱环节，对柜体结构设计提供指导。

开关柜 电动力 有限元法 抗短耐

0 引言

开关柜在短路情况下通过的电流是其在正常工作时的几十上百倍，大电流激发的电动力对铜排和柜体的结构强度是一个巨大的考验，所以在设计过程中必须充分考虑这一点。试验验证是一个非常可靠的办法，但可能需要多次试验多次改进才能通过试验，增加了时间和资金成本。通过有限元仿真计算提前发现其薄弱环节并进行结构加强，保证试验一次成功，可以大大缩减设计周期和成本。

对于短路电动力的研究，张晓戈[1]针对低压成套设备在使用过程中发生短路故障时的短时大电流产生的电动力进行了分析与研究。孙娜[2]采用载荷传递的顺序耦合方法,建立电缆金具系统的电磁-结构有限元模型,以虚位移法和麦克斯韦电磁理论为基础,对电缆金具系统进行瞬态电磁场分析。任成林[3]给出一种通用的母排设计校核方法,对其电动力进行仿真计算,并对此分析给出优化建议。于昌隆[4]提出了基于有限元分析的变压器耐受累积短路电流电动力能力校核方法，仿真了不同短路工况下变压器绕组电动力形变状况,得到了变压器绕组短路电流电动力形变规律。张学强[5]使用有限元法对某船配电板汇流排进行电磁和力学耦合分析,并将其结果同按IEC60865标准计算的结果进行比较。本文采用电－结构耦合有限元法对开关柜短路峰值耐受能力进行了校核设计。

1 开关柜短路峰值耐受分析模型

开关柜主要由断路器、框架、控制器、铜排和支撑组成。如图1所示，控制器分布在前上部，断路器位于前部隔室，铜排和它的支撑位于后部隔室。为了便于计算对模型进行了简化处理，去除前部隔室的包括断路器和控制等部分，只保留后部隔室的铜排和直接支撑铜排的的绝缘子和穿墙支撑。

图1 开关柜结构示意图

在该结构中断路器是将上部和下部的铜排接通，使其形成回路。去除了断路器，但又能让铜排形成完整回路，因此将断路器连接的上下铜排进行短接处理。其简化处理后模型如图2所示。

图2 铜排和支撑结构示意图

开关柜铜排选用的材料为纯铜，绝缘子和穿墙支撑材料都为环氧树脂。该计算模型中的材料及其机械性能如表1。纯铜为塑性材料，它的综合应力应不超过其屈服强度。环氧树脂为非塑性材料，其拉伸应力不超过材料的抗拉强度，压缩应力不超过材料的抗压强度。

表1 材料参数表

2 短路峰值耐受能力校核分析

2.1 仿真计算模型

有限元模型如图3所示，全局采用边长50 mm的正六面体网格对模型进行划分，局部复杂型面不能使用正六面体划分的地方，使用四面体网格。其单元数量有5494个和节点数量有30796个。

图3 有限元模型

2.2 边界条件及初始条件

结合开关柜实际安装情况及抗短耐仿真评估要求，模型施加边界条件如下：1）将绝缘子连接框架端设置成固定，将穿墙支撑连接框架墙板的面也设置成固定；2）重力方向如图示方向。如图4。

图4 模型边界条件

短路峰值电流值为p，输入铜排为下部的两个U型排，从U口输入。输出排位于上部，单相3根排输出。两路的电流大小相同，方向相反。为保证单相进口电流和出口电流一致，上部单根排的电流大小为1，三根总共为1×3=p，下部U口单边电流为2，总共为2×2=p。如图5所示。

图5 电流输入输出

2.3 电动力计算结果

根据2.2节电流输入经计算得到如图6所示的铜排周围磁场分布云图。最大磁场强度B=0.7244T。距离铜排越近磁场强度越强，随着距离增加磁场强度逐渐衰减至零。

电流载体在磁场中会受到洛伦兹力，在计算结果中可以输出铜排在磁场中的受力情况。为了准确得到铜排的受力情况，本计算提取的是铜排单位体积受到的洛伦兹力（简称“体积力”），体积力云图如图7所示。最大体积力约为2.7×107N/mm3，主要分布在排转直角位置。由体积力云图可知，由于两路排的距离较大，两路之间相互作用的电动力很小。单相多根排之间产生的电动力较大，特别是有转角的位置。

2.4 结构强度计算结果

将2.3节得到的铜排体积力导入到结构计算的输入载荷中，将绝缘子和穿墙支撑和框架连接部分设置成固定约束，再加入一个重力载荷，计算得到铜排和支撑的应力云图，如图8所示。其应力最大值统计见表2。

图6 磁场强度云图

图7 体积力云图

由结果可知铜排的最大位移为4.9 mm，位于穿墙支撑的远端。支撑的最大位移很小为0.02 mm。铜排为纯铜，属于塑性材料，通过查看其综合应力，如果综合应力小于其屈服强度即视为合格。计算得到铜排的最大综合应力为128.6 Mpa小于其屈服强度170 Mpa，所以铜排满足使用要求。支撑为环氧树脂，属于非塑性材料。由计算结果可知，支撑三个方向受到的最大拉应力为23 Mpa，小于其最小拉伸强度35 Mpa。支撑三个方向受到的最大压应力为33 Mpa，小于其最小抗压强度124 Mpa。所以支撑满足使用要求。

表2 应力最大值

图8 铜排综合应力和支撑三向应力云图

3 结论

本文采用电-结构耦合的仿真计算方法，对开关柜进行了抗短耐能力仿真评估。根据不同材料的机械属性对其强度进行校核，提前发现薄弱环节和设计缺陷，为设计改进提供指导，保证其短路峰值耐受试验一次成功通过，可以大大缩减开关柜的结构设计周期和试验成本。

[1] 张晓戈.低压成套设备短路电流的电动力探析[J]. 电力设备管理, 2021, (04).

[2] 孙娜, 刘胜春, 爱斌等.大截面高压电缆金具电磁-结构瞬态耦合分析[J].中国电力, 2021, 54(04).

[3] 任成林, 王帅卿, 张志刚等.基于电动力计算的MMC子模块母排设计校核及优化方法[J].高压电器. 2020, 56(09).

[4] 于昌隆.基于有限元分析的变压器抗短路电流电动力能力评估方法[D].西安: 西安科技大学, 2020.

[5] 张学强.船舶配电板汇流排的短路电动力分析[J]. 船电技术, 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

王伟（1977-），男，高级工程师。研究方向，舰船电气。E-mail: hust_ww@163.com