一种多极馈电母排的设计分析

杨英平，汪万紫，张 俊，欧阳永峰，宋 铮

（海上风力发电技术与检测国家重点实验室（湘潭电机股份有限公司），湖南湘潭 411101）

一种多极馈电母排的设计分析

杨英平，汪万紫，张 俊，欧阳永峰，宋 铮

（海上风力发电技术与检测国家重点实验室（湘潭电机股份有限公司），湖南湘潭 411101）

本文介绍了一种多极馈电母排的设计思路，在分析多极馈电母排供电轨电磁力的基础上，选取最优的供电轨相序排列方式，然后在ANSYS软件中对所取排列方式结构进行有限元分析计算，针对计算结果对结构进行优化，使其满足馈电母排实际工况所需要求。

馈电母排 长导轨 电磁力 有限元分析

0 引言

随着供输电装置馈电母排载流量的增大，馈电母排的优化设计受到越来越多生产厂家及科研院所的重视。文献[1]针对减少母排电感、减少受力以及母排防护等考虑提出了一种母排设计原则及要点，文献[2]主要针对母排的分布电感对高压大容量变换器的母排进行了优化设计，文献[3-5]则基于热-固耦合场对大电流母排的热场进行了计算并对影响母排发热的影响因素进行了一定的分析。本文主要从多极馈电母排所受的电磁力出发，对多极馈电母排的供电轨排列及其整体结构强度进行分析，选取一同等结构尺寸情况下供电轨之间受力最小的供电轨排列方式，并对其结构进行了优化设计。

1 馈电母排结构

一种十二极瞬时工作制馈电母排的供电轨布局如下图1所示，为U型开口式结构，供电轨布置为底部六极、左右两侧各三极布置。六相十二极供电轨为双三相结构，供电轨采用六进六出构成双三相闭合回路，两个三相间相差30°相位角，母排载流电流最大值为15000 A，频率50 Hz。

图1 十二极馈电母排结构

该十二极供电母排结构为金属供电轨通过绝缘化压件安装固定后用环氧树脂整体浇注成型，固化后再对导轨进行表面加工处理。

2 馈电母排电磁力分析

带电导轨在磁场中会受到电磁力的作用，所受电磁力与其所载电流及所处磁场强度成正比。

在ansoft14中建立十二极供电轨的二维模型如下，每极导轨截面积为400 mm2，两相邻导轨间相距8 mm，对每一导轨通幅值15000 A，频率50 Hz的交流电，三相相序按ACB依次排列，其中B相比A相滞后120°相位角，C相比A相超前120°相位角。

图2 十二极供电轨二维仿真模型

2.1 底部进两侧出排列

导轨相序排列为1、2、3为一个三相进线，7、8、9为出线，4、5、6为另一个三相进线，10、11、12为出线。激励加载情况如下图3所示。

图3 激励加载

运行仿真得导轨所受电磁力情况如图 4所示，从图中可以看出导轨最大受力约为 1250 N/m。

图4 底部进两侧出排列受力

2.2 底部三相，两侧另一三相排列

导轨相序排列为1、3、5为一个三相进线，2、4、6为出线，7、8、9为另一个三相进线，10、11、12为出线，激励加载情况如下图5所示。

运行仿真得导轨所受电磁力如图6所示，从图中可以看出导轨最大受力约为1600 N/m。

图5 激励加载

图6 底部三相，两侧另一三相排列受力

2.3 左侧进右侧出排列

导轨相序排列为9、7、2为一个三相进线，8、1、3为出线，4、6、11为另一个三相进线，5、10、12为出线，激励加载情况如图7所示。

图7 激励加载

运行仿真得导轨所受电磁力如图8示，从图中可以看出导轨最大受力约为1800 N/m。

图8 左侧进右侧出排列受力

2.4 小结

通过以上三种供电轨电流相序排列分析比较，得出第一种即底部进两侧出排列方式供电轨母排所受的电磁力相较与第二种和第三种相序排列方式分别小22%和31%，从降低馈电母排受电磁力方面考虑，优选第一种馈电母排相序排列方式。

3 受力分析

针对优选的第一种相序排列方式计算所得出的供电轨所受电磁力，考虑绝缘支座对铜导轨整体支承，即1 m长的载流导轨对应1 m长的绝缘支承，绝缘支撑选用SMC化压而成。在ANSYS中建立对其所受应力及变形进行有限元计算，其加载情况如图9所示。

图9 载荷加载

仿真计算得绝缘支撑件的变形及应力分布云图如图10所示。

图10 绝缘支撑件变形及应力分布云图

从图可以看出，绝缘支撑件的最大变形为0.2×10-3mm，最大应力为0.6 MPa，绝缘支撑件强度所留裕量较大。但实际操作过程中，母排完全绝缘支承结构实施较困难，多采用分段支撑后再在间隙处填充绝缘填充物的结构。参照整体支撑绝缘支撑件的应变结果，设计一种分段支撑结构如图11所示（不考虑绝缘填充物的强度加强作用）。其中单一支撑件宽度为 50 mm，两支撑件之间相距266 mm，即1m长度范围内采用4个绝缘支撑件支撑。

对图 11所示的优化后分段支撑结构在ANSYS中对其强度重新进行分析计算，其变形及应力分布云图如图12所示。

从图12可以看出，绝缘支撑件的最大变形为3×10-3mm，最大应力为6.5 MPa，绝缘支撑相对于整体全部支撑来说，变形及强度均增大了 10倍左右，但仍在材料及实际工况所能承受的安全裕度范围之内，能够满足使用需求。

图11 十二极供电轨分段支撑结构

图12 优化后支撑件变形及应力云图

4 结语

文章提出了一种多极馈电母排的设计方案：通过Ansoft对多极馈电母排结构中的不同相序排列方式导电轨的受力进行了仿真分析计算，选取所受电磁力最小的一种相序排列方式对绝缘支撑进行了结构强度计算，根据计算结果设计一种实际操作方便，且强度满足实际工况要求的多极馈电母排方案。

[1]黄彭发. 大功率风电变流器中的母排设计[J]. 电源世界, 2012, (9): 55-59.

[2]易荣, 赵争鸣, 袁立强. 高压大容量变换器中母排的优化设计[J]. 电工技术学报, 2008, 23(8): 94-100.

[3]程鹏, 杨帆, 范丰英, 等. 基于热-流耦合场的大电流母排热场计算及影响因素分析[J]. 低压电器,2013, (5): 14-20.

[4]丁斌, 徐耀良, 杨宁, 等. 大电流封闭母线磁-流-热场耦合有限元分析[J]. 高压电器, 2010, 45(8):31-34.

[5]张俊民, 侯振华, 张春朋, 等. 27.5 Kv GIS母线室三维温度场数值计算[J]. 电工技术学报， 2011,26(12): 62-67.

Design Analysis of a Multi-pole Feed Bus

Yang Yingping, Wang Wanzi, Zhang Jun, Ouyang Yongfeng, Song Zheng
（Ocean Wind Power Technology and Detection State Key Laboratory, Xiangtan Electric Manufacturing Corporation Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China）

This paper introduces a design ideas of a multi-feed bus structure. Based on the analysis of multi-feed bus rail electromagnetic force, the optimal arrangement of power supply rail phase sequence is selected, and then the arrangement structure is calculated and analyzed in the Ansys software by finite element method. The structure is optimized according to calculation results to meet the actual required of feed bus.

feed bus; long supply rail; electromagnetic force; finite element method(FEM)

TM72

A

1003-4862（2017）10-0032-03

2017-01-18

杨英平（1987-），男，工程师。研究方向：电机设计及电磁场计算。E-mail: y_yp16@qq.com