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Lorentz-Kraftberechnung eines Niederspannungs-Sammelschienensystems unter Kurzschlussstrom

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Anwendungen

Gebrauchte Werkzeuge:

Problembeschreibung

Die Sammelschiene (Abbildung 1), die aus einem einzelnen Leiter oder einer Gruppe von Leitern besteht, wird als elektrische Verbindung zwischen ein- und ausgehenden elektrischen Strömen verwendet. Einige typische Anwendungen dieser Vorrichtungen können darin bestehen, die Zusammenschaltung der ankommenden und abgehenden elektrischen Übertragungsleitungen und Transformatoren an einer elektrischen Unterstation zu bilden; Bereitstellung großer Mengen an Ampere für den Elektrolyseprozess in einer Aluminiumschmelze, indem große Stromschienen verwendet und Generatoren mit den Haupttransformatoren in einem Kraftwerk verbunden werden.

Sie bestehen in der Regel aus Kupfer oder Aluminium in rohrförmiger oder rechteckiger oder flacher Form, abhängig von ihrer Anwendung und der Menge der zu übertragenden Ströme. Die Probleme, die bei der Konstruktion von Sammelschienensystemen behoben werden müssen, umfassen einen Temperaturanstieg aufgrund von Energieverlusten, Energieeffizienz und Lebensdauerkosten, Kurzschlussstrombeanspruchungen und -schutz sowie Wartung usw.

Sammelschienensystem
Abbildung 1 - Sammelschienensystem [1]

In diesem Artikel wird die Lorentz-Kraft eines Niederspannungs-Sammelschienensystems während eines Kurzschlussregimes von EMS berechnet und mit einer analytischen Lösung verglichen. Für diese Analyse wird ein System von 3-Phasen-Sammelschienen in Betracht gezogen [1]. Unten finden Sie ein 3D-CAD-Modell des in SOLIDWORKS eingebauten simulierten Systems (alle Abmessungen in Millimetern).

Das simulierte Modell
Abbildung 2 - Das simulierte Modell

Transiente elektromagnetische Simulation mit EMS

Um das Verhalten des Sammelschienensystems während des Kurzschlussregimes zu untersuchen, ist eine zeitvariable Analyse erforderlich. Das Transientenmodul von EMS simuliert verschiedene Arten der Erregung (sinusförmig, pulsierend, exponentiell, Gleichstrom, ...) und erzeugt Ergebnisse im Zeitbereich von magnetischem Fluss, Wirbelströmen, Gegen-EMK, elektromagnetischen Verlusten (Kernverlust, Wirbelstrom) Verlust, Hystereseverlust usw.), elektromagnetische Kräfte und Drehmomente usw. Das untersuchte Beispiel wird unter Verwendung des Transientenmoduls von EMS analysiert.

Die Lorentzkraft und die magnetische Flussdichte an jedem Leiter des Sammelschienensystems werden berechnet und mit den Ergebnissen von Lit. [2] verglichen.
Um nach dem Erstellen einer neuen Studie eine Analyse innerhalb von EMS durchzuführen, müssen immer drei wichtige Schritte befolgt werden:

1- Tragen Sie für alle festen Körper die richtigen Materialien auf
Wie bereits erwähnt, bestehen die drei Stromschienen aufgrund ihrer höheren elektrischen Leitfähigkeit aus Kupfer.
2- Wenden Sie die erforderlichen Randbedingungen an.

Jeder Leiter, der einer Phase entspricht, wird als feste Spule definiert. Abbildung 3 enthält den Kurzschlussstrom, der in jeder Phase des Sammelschienensystems zirkuliert.

Eingangsströme
Abbildung 3 - Eingangsströme

3- Mesh und das Modell laufen

In der FEM-Simulation hat der Vernetzungsschritt einen wichtigen Einfluss auf die Ergebnisgenauigkeit und die Berechnungszeit. EMS vernetzt die simulierte Geometrie mit tetraedrischen Elementen. Die Gesamtzahl der Elemente hängt von den Abmessungen und der Form der Modellgeometrie ab. Mit EMS kann die Maschengröße auf bestimmten Körpern oder Oberflächen gesteuert werden, um die Genauigkeit der Ergebnisse in diesen Zonen zu verbessern. Unten sehen Sie das Netzmodell. Bei allen Leiterkörpern wurde eine Maschenweite von 5 mm angewendet.

Das vermaschte Modell
Abbildung 4 - Das vermaschte Modell

Nach dem Vernetzen des Modells wurde der Simulationsschritt fortgesetzt. Die Analysedauer wurde auf 0,1 s mit einem Zeitschritt von 0,0005 s eingestellt.

Simulationsergebnisse

Nach erfolgreicher Durchführung der Simulation werden 3D-Diagramme über der Zeit des Magnetflusses, der Magnetfeldstärke, der angelegten und der Wirbelstromdichte, der Kraftdichte und der Verlustdichte berechnet und von EMS erzeugt.
Die Lampenmengen sind in der EMS-Ergebnistabelle aufgeführt.

Die Abbildungen 5a) und 5b) zeigen die Verteilung der magnetischen Flussdichte im Sammelschienensystem bei t=0,061s. Es ist gekennzeichnet durch hohe Punkte in den Kanten der Leiter aufgrund des Endeffektphänomens.

3D-Auftragung der magnetischen Flussdichte: a) Streifenauftragung
3D-Darstellung der magnetischen Flussdichte: b) Vektordarstellung
Abbildung 5 - 3D-Auftragung der magnetischen Flussdichte: a) Streifenauftragung, b) Vektorauftragung
Die Abbildungen 6a) und 6b) enthalten die Auftragung der (By) -Komponente und die Größe des magnetischen Flusses bei P1 und P2 (siehe Abbildung 2) [2]. Wie aus den nachstehenden Abbildungen hervorgeht, verläuft die magnetische Flussdichte hauptsächlich in Y-Richtung und ihre Größe oszilliert zwischen 0 und 0,22 T.
Abbildung 6 - 2D-Diagramm an zwei Punkten P1 und P2 von: a) (By) -Komponente der magnetischen Flussdichte, b) Betrag der magnetischen Flussdichte

Die Abbildungen 7 und 8 zeigen jeweils die Stromdichteverteilung (Wirbelströme und angelegte Ströme) und die volumenohmschen Verluste im Sammelschienensystem bei t=0,038s. Die Zonen mit den höchsten Verlusten entsprechen den Zonen mit den höchsten Strömen.

Stromdichteverteilung
Abbildung 7 - Stromdichteverteilung
Solide Verlustverteilung
Abbildung 8 - Feste Verlustverteilung

Abbildung 9 zeigt die Lorentzkräfte der einzelnen Leiter des Sammelschienensystems über der Zeit nach dem Eintritt in die Kurzschlussphase. Die Lorentzkräfte sind alle in Z-Richtung und der Leiter der Phase B erfährt die höchste elektromagnetische Kraft.

Tabelle 1 enthält einen Vergleich der Lorentz-Kraftergebnisse von EMS, analytisch und ref [2]. Die Spitzenwerte der Kraft werden aus der Kurve jeder Phasenkraft (Überspringen der ersten Schwingung) ausgewählt, wie in Abbildung 9 hervorgehoben. Abbildung 10 zeigt die Summe der drei Kräfte jedes Leiters. Die Kurve oszilliert von -10 N bis 60 N.

Lorentzkraft jeder Leiterphase
Abbildung 9 - Lorentzkraft jeder Leiterphase
Tabelle 1 - Vergleich der Lorentzkräfte
EMS Analytisches _Ref [2] Simulation _ Ref [2] Fehler (EMS-Analytisch)%
F_Phase A 3009,37 2945.07 2816,28 2.18
F_Phase B 3257.08 3135.13 3015.44 3,88
F_Phase C 2826,83 2945.07 2816,28 4.01
Summe der drei Lorentzkräfte
Abbildung 10 - Summe der drei Lorentzkräfte

Fazit

In diesem Beispiel wurde ein Sammelschienensystem unter Kurzschlussbedingungen untersucht. Die hohe Strommenge, die während eines Kurzschlusses erzeugt wird, erzeugt hohe elektromagnetische Kräfte, die viele Arten von Defekten am Sammelschienensystem verursachen können. Das Schätzen der Lorentzkräfte, die durch diese Ströme erzeugt werden, kann beim Entwurf eines Systems hilfreich sein, das extreme Bedingungen unterstützt. Die von EMS berechneten Kraftergebnisse korrelieren sehr gut mit der analytischen Lösung. EMS hilft bei der Untersuchung von Sammelschienensystemen sowohl im zeitvariablen Bereich als auch im Frequenzbereich. In Verbindung mit der thermischen Analyse und der Strukturanalyse ermöglicht EMS die Vorhersage der Joule-Erwärmung und der durch diese Joule-Erwärmung und/oder elektromagnetische Kräfte verursachten Verformung.

Verweise

[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.