短絡電流下での低電圧バスバー システムのローレンツ力の計算

問題の説明

バスバー (図 1) は、単一またはグループの導体で構成され、入ってくる電流と出ていく電流の間の電気接合部として使用されます。これらのデバイスのいくつかの典型的なアプリケーションは、変電所での入力および出力の送電線と変圧器の相互接続を形成することです。大きな母線を使用し、発電機を発電所の主変圧器に相互接続することにより、アルミニウム製錬所の電解プロセスに大量のアンペアを供給します。

それらは通常、用途に応じて管状、長方形、または平らな形の銅またはアルミニウムでできており、電流の量が送信されます。バスバー システムの設計で対処する必要がある問題には、エネルギー損失による温度上昇、エネルギー効率と寿命コスト、短絡電流ストレスと保護、メンテナンスなどが含まれます。

この記事では、短絡状態における低電圧バスバー システムのローレンツ力を EMS で計算し、数値解析結果と比較します。この解析では、3 相バスバーのシステムが考慮されます [1]。以下は、SOLIDWORKS 内に構築されたシミュレートされたシステムの 3D CAD モデルです (すべての寸法はミリメートル単位です)。

EMSによる過渡電磁シミュレーション

短絡時のバスバー システムの応答を調べるには、時変解析が必要です。 EMS の過渡モジュールは、さまざまなタイプの励起 (正弦波、パルス、指数関数、DC など) をシミュレートするために使用され、磁束、渦電流、逆起電力、電磁損失 (コア損失、渦電流) の時間領域で結果を生成します。損失、ヒステリシス損失など)、電磁力とトルクなど。調査した例は、EMS の過渡モジュールを使用して分析されます。

バスバー システムの各導体におけるローレンツ力と磁束密度が計算され、参考文献 [2] の結果と比較されます。
新しいスタディを作成した後に EMS 内で分析を実行するには、次の 3 つの重要な手順に従う必要があります。

1-すべての固体に適切な材料を適用する
前述のように、3 本のバスバーは導電率が高い銅でできています。
2-必要な境界条件を適用します。

1 つの相に対応する各導体は、ソリッド コイルとして定義されます。図 3 には、バスバー システムの各フェーズで循環する短絡電流が含まれています。

3-モデルをメッシュ化して実行する

FEM シミュレーションでは、メッシュ生成ステップが結果の精度と計算時間に重要な影響を与えます。 EMS は、シミュレートされたジオメトリを四面体要素でメッシュ化します。要素の総数は、寸法、モデル ジオメトリの形状によって異なります。 EMS では、特定のボディまたはサーフェスのメッシュ サイズを制御して、これらのゾーンの結果の精度を高めることができます。以下はメッシュモデルです。すべての導体本体に 5 mm のメッシュ調節が適用されました。

モデルをメッシュ化した後、シミュレーション ステップが続行されます。解析時間は、0.0005 秒のタイム ステップで 0.1 秒に設定されました。

シミュレーション結果

シミュレーションが正常に実行された後、磁束の時間に対する 3D プロット、磁場強度、印加および渦電流密度、力密度、および損失密度が計算され、EMS によって生成されます。
ランプ量は EMS 結果表に記載されています。

図 5a) と 5b) は、t=0.061 秒におけるバスバー システムの磁束密度分布を示しています。エンドエフェクト現象により、導体の端にハイスポットができるのが特徴です。

図 6a) と 6b) には、P1 と P2 における磁束の (By) 成分と大きさのプロットがそれぞれ含まれています (図 2 を参照) [2]。以下の図からわかるように、磁束密度は主に Y 方向にあり、その大きさは 0 ～ 0.22T の間で振動しています。

図 7 と 8 は、t=0.038 秒におけるバスバー システムの電流密度分布 (渦電流と適用電流) と体積抵抗損失をそれぞれ示しています。損失が最大のゾーンは、電流が最大のゾーンに対応します。

図 9 は、バスバー システムの各導体のローレンツ力と、短絡フェーズに入った後の時間を示しています。ローレンツ力はすべて Z 方向にあり、相 B 導体は最大の電磁力を経験します。

表 1 は、EMS、分析、および参考文献 [2] によって得られたローレンツ力の結果の比較を確立します。力のピーク値は、図 9 で強調表示されているように、各相の力の曲線から選択されます (最初の振動をスキップ)。図 10 は、各導体の 3 つの力の合計を示しています。曲線は、-10 N から 60 N まで振動しています。

	EMS	参考結果 [2]	シミュレーション結果[2]	エラー (EMS-参考) %
F_フェーズ A	3009.37	2945.07	2816.28	2.18
F_フェーズ B	3257.08	3135.13	3015.44	3.88
F_フェーズ C	2826.83	2945.07	2816.28	4.01

結論

この例では、バスバー システムが短絡状態で調査されました。短絡時に生成される大量の電流は、バスバー システムにさまざまな種類の欠陥を引き起こす可能性がある高い電磁力を生み出します。これらの電流によって生成されるローレンツ力を推定すると、極端な条件をサポートするシステムを設計するのに役立ちます。 EMS によって計算された力の結果は、解析解と非常によく相関しています。 EMS は、時変ドメインと周波数ドメインの両方でバスバー システムを調査するのに役立ちます。 EMS は、熱解析と構造解析を組み合わせることで、ジュール熱と、このジュール熱および/または電磁力によって引き起こされる変形をそれぞれ予測することができます。

参考文献

[1]: https://electropak.net/blog/manufacturing/benefits-and-uses-busbars/
[2]: Gholamreza Kadkhodaei, Keyhan Sheshyekani , Mohsen Hamzeh.Coupled electric–magnetic–thermal– mechanical modelling of busbars under short-circuit conditions. The Institution of Engineering and Technology, 2016.