低壓母線橋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫 強(qiáng)

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 引言

母線橋是一種用在高低壓開關(guān)柜與柜之間硬連接或電氣柜與其他電氣設(shè)備如變壓器等之間硬連接的裝置，它在整個(gè)供電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)傳輸和分配電能，是供電系統(tǒng)傳輸部分的核心。它直接影響電氣設(shè)備的電氣性能、空間布局、走線方式等，具有安裝簡(jiǎn)單、美觀、緊湊、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)。近30年來(lái)廣泛用于輸配電、大型車間、石油行業(yè)、各種大型公共設(shè)施。

由于當(dāng)母線橋通過(guò)大電流時(shí)在正常運(yùn)行的過(guò)程中的工作噪音和振動(dòng)較大，特別是當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，以致于這個(gè)問(wèn)題至今還在困擾著電力行業(yè)。經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)正常運(yùn)行過(guò)程中，母線上的交變電流產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)使母線橋箱體和母線因電磁感應(yīng)而受到電磁力的作用，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。這就使得我們?cè)跇蝮w結(jié)構(gòu)方面要采用更加合理的設(shè)計(jì)方案和更多的優(yōu)化措施，將電磁場(chǎng)的影響降到最低，才能降低噪聲和振動(dòng)。

2 母線橋結(jié)構(gòu)示意

母線橋主要由以下結(jié)構(gòu)組成：箱體、母排、絕緣件、各種支撐件等。為了方便安裝運(yùn)輸，母線橋各部分單獨(dú)焊接為部件，除底部外和兩側(cè)面，上部和端部都采用封板用螺釘固定，安裝時(shí)可拆卸。各部件之間采用高強(qiáng)度螺栓和封板連接。箱體由2mm鋼板直接焊接完成，箱體側(cè)面一般開有魚鱗狀通風(fēng)孔。母線截面為矩形，尺寸10mm×120mm。如果通大電流幾千安時(shí)，每相母線需要雙并，并由絕緣子支撐，絕緣子固定在橫梁上，橫梁用螺栓固定在側(cè)壁上。

圖1 母線橋3D有限元模型

3 母線橋噪聲產(chǎn)生的原因

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，電磁噪聲和通風(fēng)噪聲是母線橋的主要噪聲。其產(chǎn)生原因主要是交變電動(dòng)力產(chǎn)生的箱體振動(dòng)和母線振動(dòng)；母線發(fā)熱引起氣體對(duì)流發(fā)熱噪聲；導(dǎo)磁部分磁質(zhì)收縮引起的振動(dòng)。其中電磁噪聲明顯大于通風(fēng)噪聲和其他噪聲。導(dǎo)致封板振動(dòng)進(jìn)而使得整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲。

4 理論分析

4.1 電磁力計(jì)算

首先用諧波對(duì)母線橋電磁場(chǎng)進(jìn)行分析。空間電荷和位移電流忽略不計(jì)；媒質(zhì)量具有線性的磁導(dǎo)率。開始計(jì)算，在母線橋遠(yuǎn)場(chǎng)單元外邊界設(shè)置A＝0，因?yàn)橐?jì)算母線橋內(nèi)部母線和外壁中的渦流場(chǎng)，分別施加電壓耦合和約束條件在通過(guò)電流的母線兩端和箱體基座兩端，設(shè)定母線和基座兩端分別為等電位面。將正序電流加載到母線上，即A、B、C三相分別通電流 ：IZ＿120。，18＝I/＿0，Ic＝1/240。I為額定電流有效值。

圖2 母線橋上的電磁力

圖2所示為工作電流2000A時(shí)橋體上電磁力分布的情況。橋體上下封板兩端與橋墩連接處所受電磁力的最大，電磁力沿母線橋長(zhǎng)度方向上呈對(duì)稱分布。這是母線在水平和豎直方向上產(chǎn)生的兩個(gè)交變磁場(chǎng)相互疊加的結(jié)果。表1為不同工頻電流時(shí)系統(tǒng)所選各點(diǎn)的電磁力。由表2可以知道，電流增大，電磁力增大，工作噪聲也增大。

表1 不同電流下的電磁力

4.2 諧響應(yīng)分析

對(duì)母線橋有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析。通過(guò)編寫相應(yīng)的程序提取節(jié)點(diǎn)電磁力并直接導(dǎo)入諧響應(yīng)分析中。

圖3 節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線

圖3所示為不同位置處節(jié)點(diǎn)位移的響應(yīng)曲線（工作環(huán)境為：電流為3500A激勵(lì)頻率為50 Hz時(shí)。）圖3（a）為箱體上、下蓋板中部節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線。箱體位移響應(yīng)沿長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ分布。箱體上封板的振動(dòng)比下封板劇烈，這主要是因?yàn)樯仙w板用螺栓固定，而下蓋板由焊接成形。圖3（b）所示為箱體左、右側(cè)板中部節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線。箱體右側(cè)封板振動(dòng)比左側(cè)劇烈，這主要因?yàn)殡姶帕υ谧笥覀?cè)板上大小不同造成的。箱體側(cè)板在橋端部分振動(dòng)較為劇烈。圖3（c）所示為三相母線節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線。B相母線的振動(dòng)比A、C相的振動(dòng)幅度大。母線基座部分振動(dòng)幅度比較大。由圖4我們得出，母線橋各蓋板的振動(dòng)幅度不同，基座部分側(cè)板的振動(dòng)幅度最大，這是因?yàn)槟妇€橋的在不同工作頻率下的振動(dòng)模態(tài)不同。

5 母線橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

理論分析的結(jié)果不能直接給出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲，但從各模態(tài)振型我們可以得出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分布情況，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和可能發(fā)生的破壞區(qū)域，進(jìn)而在設(shè)計(jì)與改進(jìn)時(shí)使結(jié)構(gòu)的固有頻率避開其在使用過(guò)程中的外部激振頻率，這些可靠數(shù)據(jù)能為母線橋的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。由計(jì)算可知，母線橋的箱體封板是系統(tǒng)中最主要的振源和輻射聲源，其振動(dòng)來(lái)自于：箱體自身在電磁力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)；母線的振動(dòng)經(jīng)聯(lián)接件傳遞到箱體上產(chǎn)生的振動(dòng)。因此，考慮從以下幾個(gè)方面降低母線橋的噪聲

5.1 外部設(shè)計(jì)

（1）橋體所有封板為2mm的冷軋鋼板，面積大剛性差，可以通過(guò)加強(qiáng)箱體所有蓋板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，控制蓋板的絕對(duì)振動(dòng)位移響應(yīng)來(lái)降低噪聲。為了加強(qiáng)散熱，母線橋箱體的蓋板和側(cè)板上有沖壓的魚鱗狀通風(fēng)孔。如圖4所示，在箱體上蓋板上增開魚鱗狀通風(fēng)孔可以產(chǎn)生降噪效果，因?yàn)橥L(fēng)孔使平板結(jié)構(gòu)有立體突變，增加了上蓋板的剛度。增開魚鱗狀通風(fēng)孔降噪效果明顯。并且原有設(shè)計(jì)中側(cè)壁已開有通風(fēng)孔，此方案工序增加少，整體結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，提高了整體散熱和通風(fēng)性能，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

圖4 改進(jìn)后的母線橋

（2）在箱體各部件連接處增加加強(qiáng)板，加強(qiáng)板用螺栓固定，均布在箱體邊角位置。為了最大程度減小噪聲，在加強(qiáng)板下安裝橡膠緩沖密封墊，既可防止電磁力的產(chǎn)生，從而減小電磁場(chǎng)強(qiáng)度；又可以降噪隔音。

（3）在箱體側(cè)板通風(fēng)孔間距中壓制長(zhǎng)條形凹槽或邊角處固定L型角板增加箱體各蓋板的局部剛度。如圖5所示，在各個(gè)封板的中間位置沖壓凹槽或鉚接角板。凹槽的深度為5mm，L角板厚度為5mm。

圖5 箱體封板上壓制凹槽

5.2 內(nèi)部改進(jìn)

（1）調(diào)整母線布局形式。渦流場(chǎng)分析可知，箱體的下底板所受電磁力較大。因此，為了減小下底板電磁力，我們可以嘗試：將母線整體水平上移20mm；母線擺放呈品字形或母線全部豎直擺放時(shí)母線橋內(nèi)電磁力分布的情況。幾種母線擺放形式如圖8所示。由于母線橋箱體和支撐橫梁及絕緣子的限制，每相母線上移的最大距離只能為60mm。選取箱體各封板振動(dòng)較大處的點(diǎn)，對(duì)比幾種擺放情況時(shí)幾個(gè)點(diǎn)的電磁力情況，可知，母線整體上移時(shí)母線橋各部分電磁力的分布較優(yōu)。呈品字形擺放時(shí)上蓋板所受電磁力增大，而且上蓋板是螺栓固定；豎直擺放時(shí)，母線與固定橫梁的接觸面積變小，與側(cè)板的相對(duì)面積增大，因此箱體四周的電磁力都有所增大。

圖6 不同母線擺放形式示意圖

（2）增加墊塊數(shù)量。在每相雙并母線中間等距離增加一個(gè)銅墊塊。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，在雙并母線中間加入銅墊塊后，各測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)幅度均有所減小。其次在箱體內(nèi)外側(cè)焊接一定數(shù)量的角板，用于加強(qiáng)固定支撐。三相雙并母線也可以使用夾具固定雙層母線，兩端用M12的螺栓固定在支撐橫梁上，使得母線夾把雙并母線夾緊，這樣雙并母線就不會(huì)因?yàn)橄嗷ノΧ舷抡駝?dòng)，從而降低噪聲。

（3）減小絕緣子或母線夾的支撐跨距，特別是大電流的情況下，母線雙并重量較大，撓度也較大，在大電磁力的作用下振動(dòng)明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立母線系統(tǒng)模型，計(jì)算了母線橋電磁力、諧響應(yīng)和聲學(xué)特性數(shù)值等，分析了母線橋振動(dòng)及噪聲產(chǎn)生的原因。結(jié)果證實(shí)母線橋系統(tǒng)由于大量平板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致活動(dòng)性較高，固有頻率密集分布，各種力導(dǎo)致系統(tǒng)共振頻繁。通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)外兩個(gè)部分的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，分散固有頻率，減小振動(dòng)，從而降低噪音，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。