摘 要：为优化中压配电板品字形汇流排及其支撑设计结构，针对板内品字形汇流排与穿墙套管之间的间隙匹配问题，本文采用有限元仿真的方法，在计算了汇流排端部分别处于自由状态和理想约束时，其动稳定应力分布的基础上，着重研究了两种品字形尾屏汇流排与穿墙套管之间的间隙对汇流排动稳定作用力的影响，得出汇流排与穿墙套管之间间隙的允许值，具有重要的工程意义。
关键词：汇流排 穿墙套管 中压配电板
0 引言
中压配电板[1]是中压电力系统开关设备和控制设备的组合装置。其汇流排作为连接各屏公用连接导体，不仅需要在承载额定电流时，其温升满足标准[2]要求，同时，还需能够承受短路峰值电流下产生的电动力而不被破坏[3]。前者需要根据额定电流设计足够截面积的汇流排，后者则需要一定数量绝缘子给予汇流排足够的支撑约束。
汇流排通过中压配电板上穿墙套管解决了汇流排在横穿侧板时的对地绝缘问题，但是往往设计中忽视了大电流下，穿墙套管对汇流排的支撑作用，导致支撑绝缘子的过量设计，使得板内零部件增多，结构复杂，成本增加，电气间隙设计困难。若汇流排和穿墙套管孔之间的间隙（如图1所示）设计合理，使得穿墙套管在起到绝缘功能的同时，大电流下，还会对汇流排起到支撑作用，便可以更加合理地布置支撑绝缘子，不仅可简化配电板母线室内的结构，而且电气间隙更易实现。因此，结合具体的汇流排结构，研究汇流排和穿墙套管孔之间的间隙匹配，具有现实的工程意义。
中压配电板的主汇流排一般呈“一”字形或者“品”字形布置。本文针对额定电压10 kV，额定电流1250 A，动稳定电流100 kA的空气式中压配电板中呈品字形分布的主汇流排结构进行分析研究，对于品字形汇流排的布置结构主要由两种（如图2所示），二者区别在于A相和C相连接的位置不同。本文着重且定量地研究试验屏（尾屏）内两种品字形汇流排与穿墙套管之间的间隙对动稳定时，汇流排应力分布的影响。
图1 汇流排与穿墙套管间隙示意图
1 模型建立
本文根据实际设计的汇流排结构，在不影响汇流排电流分布以及周围电磁场分布的前提下，对整个计算模型进行合理的简化，计算模型中汇流排、绝缘子均采用结构体网格进行划分，建立了如图2所示的两种品字形汇流排结构（简称a、b结构）的有限元计算模型。
图2 有限元计算模型
2 模型参数
2.1 材料参数
本文建立的有限元计算模型中，汇流排采用的是紫铜T2，绝缘子采用环氧树脂以及绝缘子采用环氧树脂以及包裹这些部件的介质为空气。相关材料的参数如表1所示。
2.2 激励参数及边界条件
本文是电磁场和应力场耦合的计算分析[4]。电磁场加载参数时根据实际试验的动稳定试验参数100 kA，根据实际汇流排产生的磁场分布规律，设置磁场边界平行约束。
应力场的计算加载参数一方面是自身的重力，另一方面是电磁场分析中计算出的回路电动力，位移约束则按照实际汇流排的固定进行约束。
表1 有限元模型中材料参数
3 结果分析
3.1 理想状态下，汇流排的应力分析研究
首先分析两种结构汇流排在穿墙套管的两种极限约束状态下（完全约束和完全未约束），动稳定时的应力分布。
从图3、4中可以看出a结构，当穿墙套管对汇流排完全未约束时，汇流排最大应力值在C相馈线排的折弯处为168.6 MPa；而如果穿墙套管对汇流排形成有效的完全约束时，汇流排最大应力值在C相和开关触臂连接的部位为68.2 MPa。
图3 穿墙套管对汇流排完全未约束下，a结构汇流排的应力云图
图4 穿墙套管对汇流排完全约束下，a结构汇流排的应力云图
同理，从图5、6 中可见b结构中，当穿墙套管对汇流排完全未约束时，汇流排最大应力值在A相绝缘子支撑处为208 MPa；而如果穿墙套管对汇流排形成有效安全约束时，汇流排最大应力值在A相和开关触臂连接的部位为92.4 MPa。
图5 穿墙套管对汇流排完全未约束下，b结构汇流排的应力云图
可以看出，在穿墙套管对汇流排的两种极限的理想约束下，其对应的汇流排最大应力分别是大于和小于铜汇流排的许用应力值为137 MPa。因此穿墙套管对汇流排之间的间隙有一定的允许值（这也是符合工程实际的），该间隙允许值需保证汇流排在动稳定电流下，其最大应力值不超过汇流排的许用应力值。
图6 穿墙套管对汇流排完全约束下，b结构汇流排的应力云图
3.2 穿墙套管与汇流排间隙的分析研究
本节以3.1节汇流排的变形方向、变形量及实际约束为基础，汇流排有限元计算模型长度方向是自由的，宽度和厚度方向施加位移约束。对a结构汇流排施加3 mm的位移约束，结果的应力值（如图7所示）为114 MPa，小于铜汇流排的许用应力值137 MPa。如果进一步放宽位移约束的量值为3.5 mm后，其计算的结果如图8所示，其最大应力值达到144 MPa，大于铜的许用应力值137 MPa。若将a结构作为单屏试验配电板汇流排结构，只需控制汇流排与穿墙套管的间隙在3 mm以内即可保证试验时汇流排的安全。若是增加试验进线柜或者实际拼柜运行，汇流排的长度方向也将因受到约束而更加安全。
图7 a结构汇流排端部位移约束为3 mm的应力云图
图8 a结构汇流排端部位移约束为3.5 mm的应力云图
同理对于b结构汇流排结构，根据主汇流排端部在自由状态下的变形方向和变形量，对b结构汇流排宽度和厚度方向施加3 mm位移约束，结果如图9所示，汇流排最大应力值为174 MPa。多次缩小位移约束，其计算结果如表2所示。
从表2可以看出，若将b结构作为单屏试验配电板汇流排结构，当配以单个绝缘子支撑，为保证动稳定时，汇流排所受的最大应力在许用应力范围内，实际配电板汇流排与穿墙套管的间隙允许值不能大于0.5mm。这势必对配电板的加工和装配带来极大的挑战。避免的方法就是增加试验进线柜或者额外的绝缘子支撑约束来保证汇流排安全，这将造成配电板内结构设计复杂度。
图9 a结构汇流排端部位移约束为3 mm的应力云图
表2 不同位移约束量对应的最大应力值
4 结论
本文采用有限元分析的方法在分别对两种品字形汇流排结构在理想状态计算动稳定应力分布的基础上，定量的研究了试验屏（或尾屏）汇流排与穿墙套管之间的间隙对汇流排动稳定作用力的影响。分析发现相比于b结构品字形汇流排，采用a结构品字形汇流排，配以其与穿墙套管间隙为3 mm 的结构设计将更具优势，板内支撑结构更简单，工程上生产、安装也更易实现。
