三相母線システムの電気熱構造シミュレーション

序章

高性能電気設備の開発には、柔軟で効率的かつインテリジェントな配電が必要です。バスバー システムは、発電所に不可欠なコンポーネントであり、電力供給の主要な接続ノードを定義します。

それらは、電気開閉所のような高電圧機器、およびバッテリーバンクの低電圧機器を接続するために一般的に使用されます。一般に、変電所や産業設備の大型デバイス間でかなりの電流を導く電気接続は、アルミニウムまたは銅のバスバー システムで作られています。このようなタイプのコネクタは、通常、電力損失伝送を最小限に抑えるために、真っ直ぐな剛性のある形状で空気絶縁されています。

バスバー システムの構築は、通常、熱応力を低減し、近接効果を改善するために、各フェーズの並列配置で、いくつかの平らな長方形のバーを組み合わせることによって実行されます。このような三相構成は、商業用および工業用建物の電力構造に給電するための最良のソリューションであることが証明されています。

問題の説明

大電流を流すバスバーを整列配置すると、バスバーの抵抗が上昇します。これは基本的に、バスバー間の表皮効果と近接効果の両方によるもので、熱応力を直接増加させます。したがって、EMS シミュレーション ツールを使用して、三相母線システムの熱的および機械的挙動の数値モデリングを調査します。 AC磁場モジュールは、構造解析および定常熱解析と組み合わせて使用されます。このモジュールは、各フェーズの温度とたわみの分布を計算して視覚化するために使用されます。
この分析では、考慮されているバスバー システムは、各相に 1 つの銅導体があり、等しい絶縁距離 (D) で分離された 3 相配置で構成されています。モデルの等角図と断面図を下の図に示します。

表 1 は、各導体の寸法を定義しています。

部品	材料	密度 (キロ/ )	透磁率	電気伝導性 (S/m)	熱伝導率 (W/mK)	比熱容量 (J/Kg.K)	弾性率 (パ)	ポアソン比
導体	銅 (Cu)	8900	0.99	6 E+07	385	390	110E+9	0.37

境界条件

1- 電磁入力:インダクタ コイルは固体コイルとして定義されます。これらは、[2] に従って断面寸法 (3/8 インチ x 5 インチ) を持つ研究対象のバスバーに対して、50 Hz の周波数で 1800 Arms の最大電流容量をサポートします。
2- 熱入力:熱伝達係数を 6 W/m²C に設定して、周囲温度 25°C で空気体に熱対流を適用します。
3- 構造境界条件: 入力/出力励起ポートに対応する面に固定境界条件が適用されます。

メッシュ化

より正確な結果を得るために、下の図に示すように、モデル全体が細かく制御されたメッシュを使用して EMS 内で均一にメッシュ化されます。

結果

マルチフィジックス シミュレーションにより、以下の結果が明らかになりました。図 4 は、相の各導体の電流密度分布を示しています。それは 3.83E+06 A/m² (RMS 値 2.7E+06 A/m² ) の最大ピーク値に達し、参考文献 [3] の結果を確認します。
3 つの導体間でアンバランスな電流分布がはっきりと確認できます。これは、近接効果と 120° 位相ずれによるものです。

(a)


(ロ)

近接からの誘導電流とディフェーズによる表皮効果によって生成された到達温度を図 5 に示します。これは、バスバー システムの各導体の平均値 330K を達成します。

バスバーの損失に関して、EMS と参考文献 [3] の結果を比較すると、各単一導体について良好な一致が見られます。

熱応力によって生成されたバスバー導体の機械的変位も、AC 領域で評価されます。バスバー導体の側面内で最大値に達します。下の図は、バスバー システム全体の結果の変位プロットを示しています。

(ロ)

結論

EMS ソフトウェアを使用した三相母線システムの数値モデルにより、定常状態での熱的および機械的挙動を調査することができました。このようなタイプのマルチフィジックス数値シミュレーションは、ディメンション化フェーズの重要なステップです。これにより、バスバー全体で発生する重大な熱応力の場所を予測できます。

上記で実行されたシミュレーション中に、EMS の周波数領域モジュールを使用してジュール損失と渦損失が計算され、結果の温度が予測される熱ソルバーに転送されました。熱結果は、熱応力が計算される構造ソルバーにも送られます。

参考文献