配电柜排夹结构减重优化设计

汪正炜，江 峰，黄逢昱

配电柜排夹结构减重优化设计

汪正炜，江 峰，黄逢昱

(武汉船用电力推进装置研究所 武汉 430064)

针对配电柜内铜排短路电流产生很大的电动力，铜排容易失效，需要使用大量排夹，从而导致设备超重这一现象，对配电柜排夹进行优化减重设计，在满足结构强度的同时，合理设计排夹尺寸，使得重量最小。本文采用电－结构耦合有限元法得到承受短路电流时，铜排和排夹的应力响应。通过对比分析排夹不同尺寸的脊高、齿高和厚度对应力的影响得出规律，为排夹结构减重设计提供参考。

电动力 排夹 电－结构耦合 结构减重

0 引言

配电柜是电能输送中转设备，同时，当出现短路、过载和漏电时，起断电保护作用。对于配电柜来说，铜排短路时具有很大的电流，其产生的电动力可能导致铜排失效，影响设备正常运行。因此，对铜排固定结构进行优化设计，提高柜体机械强度，降低电动力所产生的不良影响，同时兼顾设备的重量，是配电柜研究的重要方向。

对于配电柜电动力方面的研究，兰生[1]等针对变压器遭受短路电流致使绕组变形这一问题，采用“磁场－结构场”耦合方法，计算分析其绕组短路时的辐向电磁力和辐向稳定性，并按其实际参数进行结构屈服分析。王冬[2]使用理论推导以及仿真分析的手段对某型大电流开关柜铜排所受短路电流的电动力冲击进行研究，优化主母线固定方式，并通过铜排短路耐受试验进行验证。盛建平[3]、任成林[4]、张学强[5]等人对铜排短路电流产生的电动力进行仿真计算，分析铜排支撑方案的有效性，确保设备安全运行。

本文采用电－结构耦合有限元法对固定铜排的排夹结构进行仿真计算，从结构强度、体积重量以及所受电动力应力影响三方面进行分析，得到合理的排夹结构设计方案。

1 配电柜排夹模型

配电柜主母排用于大电流的输送，主母排跨距较大，横穿多个配电柜，而且受空间限制每相之间的距离较小，在进行短路电流耐受测试时，主母排受电动力会发生严重变形而失效。所以需要足够强度的支撑和排夹对主母排进行支撑和固定。支撑固定方式如图1所示。排夹分为上下两部分，主母排架在端部排夹上，端部排夹固定在支撑上，支撑和配电柜的框架相连。端部排夹跨距较大的情况下，中部需增加排夹，防止主母排受电动力引起严重变形。

图1 配电柜排夹模型

配电柜输送的电流为交流电，分为ABC三相，每相电使用4根主母排，总共12根主母排，采用间隔交叉并列平行布置的方式，每2根主母排一小组，ABC三相并列成一大组，然后并列成2大组，如图1所示。

对排夹的结构，在空间允许的情况下，增大排夹的齿高值，脊高和厚度无疑可以增大排夹结构强度的安全系数，但同时会增大设备的体积和重量，难以满足船用设备对体积小、重量轻、结构紧凑的要求。本文采用控制变量法分别研究在短路情况下齿高值，脊高和厚度值对主母排和排夹受电动力应力响应的影响，从而得到综合考虑体积重量和强度合适值。

1）固定量：脊高=30 mm，厚度=30 mm，变量齿高取值如表1

表1 齿高a值（单位：mm）

2）固定量：齿高=80 mm，厚度=30 mm，变量脊高取值如表2

表2 脊高b值（单位：mm）

3）固定量：齿高=80 mm，脊高=30 mm，变量厚度取值如表3

表3 厚度t值（单位：mm）

2 仿真计算输入

配电柜在短路试验时，短路电流值随时间变化的曲线如图2所示。在20 ms一个周期内，当其中一相电电流达到峰值时，其它两相电电流大小和方向相同，且和另外一相电方向相反，此时相邻主母排之间产生的相互排斥的电动力最大，工况最严酷。所以取0 ms（或20 ms）时刻的电流值作为本文仿真计算的工况值。此时A相电电流为峰值，B相和C相电流值相同（峰值的一半）且和A相电流方向相反。

图2 交流电短路电流曲线

主母排排布确定，主母排电流已知的情况下可以根据公式1计算得到排夹最大跨距，只要跨距小于该最大值，可以根据需要在合适的位置安放中部排夹，本文将排夹跨距设定为固定值。排夹跨距（mm）可按下以下公式计算

式中：—矩形截面导体的形状系数；

—短路电流（kA）；

—相间距离（m）；

—铜排的屈服强度（Pa）；

—汇流排截面系数。

3 电-结构耦合仿真计算过程

3.1 电计算过程

在电计算过程中忽略排夹和支撑对电流和磁场的影响，模型中只保留铜排，电流的介质为纯铜，磁场的介质为空气，铜排和空气的相对磁导率和导电率如表4。

表4 电计算参数

将交流电短路电流在时刻0 ms的瞬间值分别加载到ABC三相铜排上，经计算得到磁场强度云图如图3所示。可以看到两处A相铜排附近的磁场强度最强，且大小相近，多个排上电流产生的磁场在该处发生了叠加；两处C相铜排附近的磁场强度较弱，且大小相近；两处B相附近的磁场强度最弱，几乎为零，多个排上电流产生的磁场在该处发生了相互抵消。在远离铜排的空间随距离增加逐渐减弱，直至为零。

图3 磁场强度云图

通电铜排在磁场中会受到洛伦兹力即电动力。为了准确得到铜排在磁场中的受力状态，通过提取铜排在磁场中单位体积的矢量力，得到如图4所示铜排单位体积力云图。

图4 铜排单位体积力云图

可以看到两处A相铜排的受力最大，大小相近且方向相反，A相的电流最大且该处的磁场最强，所以受力最大；两处C相铜排的受力较小，大小相近方向相反；两处B相铜排的受力最小，几乎为零，因为该处的磁场强度几乎为零。

3.2 结构强度计算过程

在结构强度计算过程中，假设材料材质均匀且各向同性，连接位置稳固可靠，尺寸皆为名义尺寸无误差，固定处刚性无变形。支撑为Q235钢板，铜排为纯铜，排夹为环氧树脂玻璃布层压板，其机械属性如表5。

表5 材料机械属性

将电计算得到的铜排单位体积力计算结果作为结构计算的输入导入到结构计算中。将支撑设为固定，添加重力。经计算得到结构电动力应力响应云图如图5所示。在该模型结构中排夹应力很小，两处A相的铜排应力较大但远小于铜排的屈服强度，B相和C相的铜排受力应力很小。所以可以对排夹的尺寸进行优化减重。

图5 电动力应力响应云图

4 排夹尺寸优化减重计算结果

使用控制变量法按照表1、2和3中的尺寸分别调整排夹模型的齿高、脊高和厚度值，重新计算结构强度，提取铜排的综合应力、排夹的综合应力和剪切应力值，使用曲线拟合得到如图6、图7和图8的应力曲线图。由于排夹是由玻璃布层压而成，受剪切容易分层失效，所以排夹的剪切应力超过材料的剪切强度也是判断排夹结构是否破坏的一个准则。

如图6所示，铜排和排夹的综合应力，排夹的剪切应力都随着齿高的增加而减小，在齿高=35 mm左右，应力都降到了材料的强度极限以下，在超过=55 mm，应力随着齿高的增大不再继续减小，都保持在一个很低的水平。

图6 随齿高变化铜排和排夹的应力曲线

图7 随脊高变化铜排和排夹的应力曲线

如图7所示，铜排和排夹的综合应力，排夹的剪切应力都随着脊高的增加而减小，且铜排综合应力和排夹剪切应力对脊高值的变化不敏感，基本都保持在很低的水平。在脊高=20 mm左右，排夹综合应力也降到了材料的强度极限以下，在超过≈35 mm，排夹综合应力随着脊高的增大不再继续减小，也保持在一个很低的水平。

图8 随厚度变化铜排和排夹的应力曲线

如图8所示，铜排和排夹的综合应力，排夹的剪切应力都随着厚度的增加而减小.铜排综合应力和排夹剪切应力在厚度超过=15 mm，应力值平稳下来且保持在很低的水平。在厚度超过=25 mm，排夹综合应力随着厚度的增大减小幅度逐渐变小，也保持在很低的值。

由上可知排夹的齿高、脊高和厚度尺寸在超过某一饱和值之后，对铜排和排夹的受力并没有改善作用，只会徒增排夹的尺寸和重量。所以考虑到减重要求，在不超过材料强度的条件下应在饱和值以下取值。

5 结束语

本文使用电-结构耦合有限元仿真分析法，对铜排和排夹结构承受短路电流产生的电动力的应力响应进行了分析计算，并使用控制变量法分别对排夹的齿高、脊高和厚度变化对铜排和排夹应力的影响进行了对比分析，得到以下结论：

1）齿高取值，相对于铜排的宽度，即/约为1/5到1/3，既能保证铜排和排夹的结构强度，也不会超过饱和值而赘余。

2）脊高取值，相对于铜排的宽度，即/约为1/8到1/5，既能保证铜排和排夹的结构强度，也不会超过饱和值而赘余。

3）厚度取值，相对于铜排的厚度，即/约为1.5到2.5，既能保证铜排和排夹的结构强度，也不会超过饱和值而赘余。

4）综上优化减重后，相对于传统的排夹设计，体积和重量可以减小约40%。

[1] 兰生, 胡忠平, 廖福旺, 原永滨. 短路电动力对变压器低压绕组辐向稳定性的研究[J]. 电机与控制学报, 2018, 22(05): 19-24.

[2] 王冬. 7500A低压开关柜主母线系统设计与铜排多物理场仿真分析[D]. 江苏大学, 2018.

[3] 盛建平, 马扬. 低压配电柜三相母线所受电动力的分析[J]. 工业控制计算机, 2015, 28(02): 131-132.

[4] 任成林, 王帅卿, 张志刚, 胡秋玲, 石鹏, 黄陈雨龙.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): 253-259.

[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): 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

汪正炜（1988-），男，工程师。研究方向：机电一体化设计。E-mail：719021455@qq.com