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低压 开关柜 设计 研究

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上海工程技术大学毕业设计外文翻译1海拔高度对低压开关设备和控制设备元件运行性能的影响海拔高度对低压开关设备和控制设备元件运行性能的影响摘摘要要由于高度的升高，空气密度的降低会影响低压开关柜和控制设备部件的运行性能。对于高空应用，对这些部件的工作性能的影响知之甚少。空气密度的降低会影响电介质耐压、热行程、过载校准、接触寿命和中断能力等特性。试验是在一个能够产生所需电路参数的电气实验室进行的。试验是用真空室人工降低空气密度来模拟海拔高达 6000 米的高度，并进行了实况调查研究，确定了在较高海拔地区低压元件的工作性能。1 引言引言对于用于低压开关柜、电机控制中心和电池板的低压开关设备和控制设备组件(LVCS)的高空应用(例如海拔 1000 米至 6000 米)，几乎没有技术指导。这些 LVCs 包括：塑壳断路器、断开开关、熔断器、起动器、接触器、软起动固态启动器、变频驱动器、过载继电器、控制继电器和变压器。由于气压和密度随着海拔高度的增加而减小，影响了 LVCS 的工作性能，理论上降低了耐压、热额定值、影响校准、影响接触寿命、降低接触器中断性能、降低短路中断能力。有一些基于 IEEE STD 的指导。它提供了电压额定值(介电承受能力)和电流额定值(热差)的经验修正因子l。 见表一.如何应用这些高度校正系数的例子见表。然而，没有提供关于运行性能标准的信息，例如电流中断，这也可能受到在较高度上介电和热特性的降低的影响。因此，在高空应用设备的工程师几乎没有适当选择 LVCs 的指导，实际上，对于 3000 米以上的应用，根本没有提供任何指导。发现高度要求的 LVC 行业标准的一个例子是 NEMA 标准 ICs1-19932。这个NEMA 标准定义了两个高度等级。1 公里是指海拔不超过 1000 米的设备设施。使用功率半导体设备的系统通常为 1 公里级。2 公里是指海拔不超过 2000 米的设备设施。电磁和手动设备为 2 公里级。然而，在本标准中没有对这些高度以上的 LVCs 给予指导。此外，国际电工委员会(EC)标准 IEC60947-1 载有一项限制，规定 LVCs 不得应用于 2000 m3以上。然而，iec 60947-1 中包含了一份允许在较高海拔地区使用 LVCs 的上海工程技术大学毕业设计外文翻译2说明，但必须解决降低空气介电强度和冷却效果的问题。正如 NEMA 标准一样，iec60947-1 中没有为符合 2000 m 以上使用的 LVCs 提供指南，也没有关于如何在较高海拔地区降低介电强度和冷却效果的指南。因此，为了在不同的高度解决这些 LVC 的性能和应用问题，启动了一个研究项目。 该程序不仅研究了高空空气介质强度(耐压性能)和冷却效应(热容量)的降低所造成的影响，而且还研究了其他运行性能标准，以确定是否有任何显著的性能变化，例如校准、过载中断、接触寿命和短路中断。为了研究不同海拔高度对 LVCs 工作性能的影响， 采用真空室模拟了正常情况下在相应高度上的空气密度。 见图 1。 被测试的 LVCs包 括 符 合 IEC 标 准 、 NEMA 标 准 和 承 保 人 实 验 室 标 准 ( 标 准等)3141516171919110 lU 11的部件。上海工程技术大学毕业设计外文翻译32 测试程序注释测试程序注释必须指出的是，这项调查并不是一个合格的类型测试程序，而是一个程序，以确定是否有显着变化的性能数据由于空气密度的变化。因此，为了作出这一决定，试验参数有时比常模更严格。此外，这些测试装置被选为 LVCs 的代表性样本，并希望对这些特定样本的测试能够显示出有意义的发现。这是一个第一步的过程，以确定哪些经营业绩将表明重大的趋势。可能需要进一步的测试，以更准确地确定高度对作战性能的确切影响。在本次调查中所述的 0 米高度，气压标准为 101.3 kPa，实际上不是在海平面，而是在测试实验室的高度，大约为 200 米12。每组试验前记录实验室的气压，范围为99.9kPa103.3 kPa。在最大试验高度 6000 米时，试验室内的气压为 47.1 kPa。图 2 显示了气压与海拔的相关性，并被用于建立以 101.3 kPa 为基础的海平面气压测试压力12。虽然研究中没有考虑湿度，但它可能对某些测试产生了一定的影响。在整个试验过程中对湿度进行了监测，不同海拔高度(06000 m)的湿度确实发生了变化，湿度分别从 17%RH 下降到 12%RH。上海工程技术大学毕业设计外文翻译43 耐压性能分析耐压性能分析该标准，等，要求通过空气和表面的要求，以及介电耐压试验。这些介电性能要求是保守的，而且 LVCs 具有非常高的介电承受能力。因此，在产品上进行介电耐压试验可能不会表明与高海拔地区的野外使用有任何显著的相关性。材料选择、所用材料的孔隙率、设计结构等因素对 LVC 介质耐压性能的影响可能比在较高海拔高度下较低的空气密度影响下的介电强度降低更为重要。然而，为了解决在较高的高度上对介质耐压性能的影响，LVC 样品在设计的电路中进行了测试，该电路基于标准等。介电耐压试验如下：1.三条线路终端机通过跳线连接在一起。这三个负荷终端也是由跳线连接在一起的。在线路和负载端子之间施加了 2200 V 的耐压测试电压，并打开了设备的触点。见图 3A。2.空气压力逐渐降低，直至达到海拔 6000 m 的气压，即 06000 m 的高度。3.电路变了。跳投者被移走了。B 相线路终端通过跳线器连接到地球上。A 和 C相负荷终端通过跳线连接在一起。 该装置的触点是封闭的， 并且在 B 和 C 相线端子之间施加了 2200 V 的耐压测试电压。见图 3b。4.空气压力逐渐增大，直到达到 0 米的气压，即海拔从 6000 米上升到 0 米。每次 LVC 的测试持续时间约为 4 分钟。在整个测试过程中，对高压电源的电流进行了监测，并设置为 50 mA 的泄漏电流跳闸。对下列 LVCs 进行了耐压试验： IEC 接触器、NEMA 接触器、IEC 断路器、NEMA断路器。所有设备都成功地经受住了 2200 V 的攻击，没有在任何高度发生故障。研究结果表明，在器件的设计上有足够的馀量，因此在较高的高度上，介质耐压性能不上海工程技术大学毕业设计外文翻译5需要去额定值。4 热载流量热载流量众所周知，对于露天的汇流排系统，由于较高海拔的空气密度较低，冷却和产生的热载流量受到不利影响。因此，如表 1 所示，IEEE 标准 27 提供了关于基于海拔高度的电流降额的指南1。然而，较高海拔处的空气密度越低，对 LVC 的影响就越小，因为内部组件载流部件与部件模制品接触。S1.1 瞬时冷却是通过成型材料传导热量来实现的，成型材料反过来将热量分配给安装板。通过将器件置于高度试验箱中，并在模拟的高度空气压力下进行温升试验， 评估了该器件对 LVCS 热载流量的影响。 然而，由于真空试验室的厚铝壁可能起到散热器的作用，并影响试验结果，因此试验样品不是直接安装在试验室上，而是用金属丝悬挂。因此，空气密度的变化应是影响温度试验结果的唯一变量。以下 LVC 接受温度测试：IEC 接触器、NEMA 断路器、HRC 保险丝。所有温度测试均在 LVC 的最大额定电流下进行。温升试验结果如图 4 所示。试验表明，海拔高度对热容有显著影响。测试还表明，带有热元件的设备，如断路器和保险丝，比没有热元件的设备受到的影响更大。热元件，如接触器。有趣的是，保险丝受到的影响如此之大，以至于在高空使用保险丝时，需要解决这一问题。此外，图 4 中绘制的是基于 IEEE 标准 27 的 O m至 3000 m 的热校正系数，外推 3000 m 至 6000 m。上海工程技术大学毕业设计外文翻译65 组件性能校准组件性能校准提供过载电流保护的 LVC 包含用于监测的双金属，共晶或电子元件。当前， 在这种情况下，空气密度下降更高的海拔可能会对校准产生影响，因为通过加热实际监测负载电流或 12R 转移，例如，热量的对流和辐射到双金属片。 而且，电子设备通常包含热量传感元件，例如热敏电阻。 使用这些元素用于监控环境，电路板，复位时间等，并可能影响低空作业性能密度。 比较不同的校准通过进行过载校准来评估高度在过载跳闸设置的 300进行测试并监控。以下 LVC 受到过载校准测试：NEMA 共晶过载继电器，IEC 双金属过载继电器，IEC 电子过载继电器带电流变压器，IEC 电子过载继电器，具有霍尔效应电流监视器。校准结果性能测试如图 5 所示。测试表明共晶和双金属过载继电器受到影响高海拔地区的空气密度和电子过载继电器不会受到不利影响。 因此，它会必须使用高度校正因子与共晶和双金属过载继电器，以避免滋扰跳闸。 研究结果支持使用电子过载继电器适用于 2000 米以上的应用。6 工作状况工作状况触点寿命是电机接触器应用要求的一部分。操作类型影响给定应用的接触器的选择和尺寸，例如，正常启动和停止操作的次数（AC3），微动和插入占空比的百分比上海工程技术大学毕业设计外文翻译7（AC4）等3。制造商提供接触器寿命曲线和公式，以帮助应用工程师为应用选择合适尺寸的接触器。但是，如果高海拔地区的接触生活发生重大变化，应用工程师必须解决这一变化。选择具有众所周知的接触寿命的接触器用于该测试。拆开接触器样品并仔细称重每个触点。然后重新组装接触器并在各个高度进行接触寿命性能测试。在测试结束时重新称重接触。使用该数据，评估高度对接触寿命性能的影响。NEMA 接触器进行接触寿命测试。 接触寿命测试结果的一个例子如图 6 所示。研究结果表明，高海拔地区较低的空气密度对接触寿命没有显着影响。 相反，调查结果表明，在更高的海拔高度，接触寿命略有改善。 因此，没有必要改变用于选择和选择海拔高达 6000 米的接触器的接触寿命标准。7 超载中断性能分析超载中断性能分析具有有限中断容量的开关设备，例如作为接触器和断开器，可能需要中断电流为其额定值的十到二十倍，例如锁定转子电流，浪涌电流等。这种中断能力是不是正常的工作要求，而是一项要求过载情况。 因此，中断是至关重要的随着海拔的增加，不应减少容量。具有良好记录的中断能力的接触器是选择进行此测试。每个测试的起始测试电流比海平面接触器的已知最大中断电流小 50A. 可以理解的是，中断性能水平存在一些差异，因此，在每个当前级别进行了五次测试。 如果设备通过，则电流水平增加 50A，并且重复测试系列直到确定最大中断水平。 保持测试条件不变，尽可能将测试作为开场（0 次拍摄）进行。因此，在这些测试中，外部密闭接触器是用于消除对测试样品中断性能的任何影响。IEC 接触器受到接触器过载的影响中断测试。 中断的结果性能测试如图 7 所示。调查结果表明在更高的海拔高度，接触器中断得到改善。接触器可以成功的电流量中上海工程技术大学毕业设计外文翻译8断， 随着海拔的升高而增加。因此， 不需要中断接触器的额定值将在海拔高度达 6000米时降级。8 短路中断性能分析短路中断性能分析作为测试程序的一部分， HRC 保险丝和反向保险丝时间限流断路器进行了测试短路情况。 由于有保证这些设备的短路中断能力，决定保持短路测试条件不变。 然后监测峰值允通电流（I，）允许通过能量（12t）和中断时间，确定是否有任何重大变化空气密度的变化。 测试是在开放时进行的（仅限 0 次），以保持测试条件更多不变。 测试站的制作开关用于启动短路电流。 由于测试 saomples 是最新的限制装置，A 相的试验闭合角为 70选择因为该角度与电流限制一致保险丝测试标准13。经验表明，这种闭合角度是电流中断的一个困难案例限制断路器。以下 LVC 发生短路中断测试：IEC 断路器，NEMA 断路器，HRC 保险丝。短路中断测试是在 LVC 的额定短路电流和 1 电压。 中断性能的发现示例测试结果如图 8至图 10 所示表明所有 LVC 似乎都有足够的保证金设备的设计使他们能够打断他们的高海拔额定中断电流。然而调查结果还表明，虽然峰值电流仍然存在相当稳定，清理时间更长，在某些情况下在这种情况下， let-thru 值会在更高的海拔高度上增加。 保险丝似乎受到的影响更大，特别是在更高的故障电流下，比这个趋势的断路器。在一个组合起动器可能会对组件造成更大的损坏影响 1 类或 2 类协调分类3。 进一步对组合启动器进行短路测试研究应考虑这种影响。上海工程技术大学毕业设计外文翻译99 总结总结综上所述，该实验是一个事实发现过程，以确定是否有任何高海拔地区的性能发生重大变化（3000 米至 6000 米）用于 LVC。 如果发生了重大变化确定后，就未来提出了建议行动，例如，进一步的测试，测试类型，增加采样，等等。根据该实验确定的内容如下：1.介电耐压性能不明显，在较高的高度受影响，进一步的调查是无正当论据。在较高的高度上，介电耐压性能没有受到明显的影响，因此不需要进一步的研究。上海工程技术大学毕业设计外文翻译102.具有热元素的 LVCs 在较高的海拔高度上的热 AMPAT 性能受到影响， 对熔断器有显著的影响。应对此类热元件 LVCs 进行进一步的测试和取样，即热磁路断路器、熔断器、热型过载继电器。对于没有热元件的元件，没有必要作进一步的研究，即接触器、断开管、开关。3.在具有热元件的器件上，校准性能在较高的高度上受到影响，而对采用电子过流传感的 LVCs 则没有影响。应对热元件 LVCs 进行进一步的测试和取样，即热磁路断路器、熔断器、热型过载继电器。对于无热元件的 LVCs，尚不需要进一步的研究，这些器件应考虑在高空应用，如电子型过载继电器、电子跳闸单元断路器等。4.在较高的海拔高度，接触寿命没有降低，也没有必要进行进一步的研究。5.在较高的高度上，接触器过载中断性能得到改善，不需要进一步的研究。6.在较高的海拔高度，短路中断性能受到影响，对引信的影响更为显著。应进一步进行测试和取样，并应包括组合起动机单元，以确定对第 1 和第 2 类协调分类的影响。最后，在今后的测试方案中还应考虑其他附加部件，例如控制电路变压器、软起动固态启动器、变频驱动器。鸣谢这项工程进行了大量工作。进行了 1000 多项试验，并得到了其他人的无数咨询和协助。 作者要感谢那些帮助和提供了宝贵的援助， 在整个方案， 但特别感谢亨利 查卡科夫斯基，加里布吕斯基和埃玛贾马雷丁。上海工程技术大学毕业设计外文翻译11参考文献l ANSI C3.20-1969AEEE Std. 27-1969, “IEEE Standard for Switchgear AssembliesIncluding “Metal-Enclosed Bus”, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.,1969, New York, NY, 10017.2 NEMA ICs 1-1993, “Industrial Control and Systems, General Requirements”, NationalElectrical Manufacturers Association, Washington, DC 20037.3 CEIAEC 60947-1 through -5, “Low-Voltage Switchgear and Controlgear”,International Electrotechnical Commission, 1990-1 999, Geneva, Switzerland.4 NEMA ICs 2-1993, “Industrial Control and Systems Controllers, Contactors andOverload Relays Rated Not More Than 2000 Volts AC or 750 Volts DC”, NationalElectrical Manufacturers Association, Washington, DC 20037.5ANSUUL 98, “Standard for Enclosed and Dead-Front Switches”, UnderwritersLaboratories Inc., 12th ed., April 27, 1994, Northbrook, IL 60062.6 UL 489, “Standard for Molded-Case Circuit Breakers, and Circuit-Breaker Enclosures”,Underwriters Laboratories Inc., 9th ed, October 3 1, 1996, Northbrook, IL 60062.7 UL 508, “Standard for Industrial Control Equipment”, Underwriters Laboratories Inc.,17th ed., January 28, 1999, Northbrook, IL 60062.8 ANSI/UL 845, “Standard for Motor Control Centers”, Underwriters Laboratories Inc.,4th ed., February 15, 1995, Northbrook, IL 60062.9 ANSVUL 891, “Standard for Dead-Front Switchboards”, Underwriters LaboratoriesInc., 10th ed., December 23, 1998, Northbrook, IL 60062.10CEVI/EC 60439-1 : 1999, “Low-Voltage Switchgear and Controlgear Assemblies”,International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland.11 NEMA ICs 3-1993, “Industrial Control and Systems Factory Built Assemblies”,National Electrical Manufacturers Association, Washington, DC 20037.12 T.Baumeister, Standard Htzndbook For Mechanical Engineers, 71h ed.New York:McGraw-Hill, 1967.上海工程技术大学毕业设计外文翻译1213 UL 248, “Standard for Low Voltage Fuses”, Underwriters Laboratories Inc., 1 sted.October 1, 1994, Northbrook, IL 60062.上海工程技术大学毕业设计（毕业论文）开题报告任务实际进行日期自 2018 年 12 月 17 日起， 至 2019 年 5 月 7 日止。学院机械与汽车工程学院专业机械工程班级学号011115101学生赵云鹏指导教师程武山题目低压开关柜的母排设计与研究上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究11 课题背景及意义课题背景及意义随着中国经济的不断发展，社会文明科技文明不断进步。智能电网中不可缺少的设备，低压开关柜的研究在这样的背景下也越来越被重视起来。在国家大力发展电网改造及“西电东送”、超高压、特高压交直流输变电等重大工程建设项目带动下，低压压开关柜市场需求量很大，同时也对其在智能化和可靠性方面提出了更高的要求。积极采用运行可靠、技术先进、自动化程度高、占地小、维护少的设备和装置，是智能电网行业的发展方向，也是现代科学技术发展的必然结果。处于“中国制造 2025”大环境下，我国正加大力度促使祖国建设的进步，努力把国家建造成生产制造大国。在这个智能化时代，方方面面都需要电力的支持，低压开关柜作为用户和电网进行沟通的智能化设备，重要性不言而喻。在我国，低压开关柜应用较多地还是经典的，智能化不高的设备。这种柜体结构简单，需要人工操作的地方很多，已经阻碍了新型电网的发展。城市中各行各业对于电能的使用又是千姿百态，对于电力的使用要求也越来越高，正因为这样，我国每年都有数百万台各种类型的用电设备投入运行。 但是与此同时用电事故也频繁发生， 有些事设备自身故障， 也有些是人为造成的。造成用电事故相应的要对设备进行抢修。但是由于中国低压设备普遍身形比较巨大，修理操作过程中会很费时费力。智能电网在中国智慧城市建设中起到至关重要的作用，对于低压开关柜的整体体型合理变小，所带来的影响是巨大的。目前，低压开关柜已被广泛应用于我国众多行业和领域中，而许多现代化企业也积极引进了各种先进的技术和设备。借鉴国外相关工作的经验，在厉害的设备支持下，我国低压开关设备的质量和生产效率都得到了增长1。 但是低压开关设备在使用过程中仍然还是存在很多难点， 具有很大的安全隐患。 所以低压设备愈加智能化就显得极其关键，国家也极大促进这类设备智能化的进步。智能化程度逐步提高，其所使用技术及各零部件也发生了相应变化，对于低压设备在市场上的大面积需求，多以对于低压开关柜来讲进一步优化提高就显得极其重要。在这样的背景下，我们将低压开关柜的整体体积进行缩小，不仅可以节省大量的空间，而且可以更方便更智能的使用电能，这也意味着在现有的基础上，体积缩小的低压开关柜内部相关零部件工作影响要将到一个标准且能准确稳定的正常工作。 所以母排研究设计就显得尤其重要。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究22 文献综述文献综述2.1 低压开关柜国内外研究动态低压开关柜国内外研究动态目前，低压开关柜已被广泛应用于我国众多行业和领域中，而许多现代化企业也积极引进了各种先进的技术和设备。借鉴国外相关工作的经验，在技术设备的支持下，我国低压开关柜的质量和生产效率都得到了提升。但是，与发达国家相比，我国低压开关柜的发展仍然相对落后，在其实际应用过程中依然存在短路的问题。短路故障可引发弧光，严重时还会演变为母线障碍，造成重大的经济损失。因此，针对我国低压开关柜的发展趋势及其发展过程中存在的问题，结合我国的实际情况寻找新的改进思路，以全面提升低压开关柜的安全性和稳定性，缩短其与世界先进技术之间的距离。进入 20 世纪 9O 年代， 国外各大公司在低压供电系统实现集中监控的基础上积极开展智能化的低压开关和智能化的低压成套开关设备的研究。 如今现场总线及工业以太网技术的发展，现场总线 ProfibusDP 和 ASInterface 技术的崛起，可通信电器的上市给低压开关设备带来了革命性的变化，从低压电器元件到成套设备都实现了智能化，可通信及网络化。智能型配电柜采用了智能型元器件，其主要特点足在传统开关柜基础上利用了微电子技术，电力电子技术，计算机控制技术以及网络通讯等新科技，有较高的可靠性。目前已经形成商品化进入市场，并逐渐推广使用。同时，在柜体的设计、加工工艺方面也有较大的突破，表现在母线的异型化、塑料化板材成型的整体结构。多功能的母线系统，母线系统是成套设备的重要组成部分。它决定了低压配电成套设备的电气参数、进出线的方式、连接方式和柜体温升。国外产品的母线系统在 20 世纪 90 年代广泛应用了异型截面的型材。 例如： 德国金钟默勒公司的 6000 系列的 C 型母线、 英国 GECALSTHOM 公司的 H 型母线和西门子公司的 SIVACON 系列、 汉森公司的产品都是采用了异型母线，提高了母线的抗弯强度，抗短路强度的能力也随之提高。最近这些年，我国低压设备行业的发展势头强劲，低压开关柜的研究也受到国内外企业的关注和欢迎。虽然都取得了一定的研究成效，但总体上，低压开关柜体积大，不方便进行各类操作，精度不够高，占地面积大，导致各方面都要为其添加空间。因此，低压开关柜的生产技术有了很大的突破，无论是外形还是结构都有了很大的改进。我国低压开关柜未来的发展方向大致体现在外形精致化、结构标准化、操控智能化及性能稳定化几个方面。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究32.2 低压开关柜母排设计低压开关柜母排设计2.2.1 理论与实际的创新结合理论与实际的创新结合国内外对于低压开关柜的形体都在努力将箱体进行缩小优化， 但普遍存在的低压开关设备还是形体巨大，这导致测试，操作及使用等方面出现随机性大、操作不方便、测试效率低等问题；虽然有些企业已经推出一些相对箱体较小的低压开关柜，但是所收获得效益确是很低。课题所研究设计的低压开关柜母排是三维设计技术进行优化，集智能控制技术、分布式控制技术和现代测试技术为一体，开创了国内外低压电器行业内低压开关柜母排理论研究和设计的创新，促进了低压开关柜的发展，对提高我国低压开关柜的竞争力具有重要意义。2.2.2 低压开关柜的高设计性、高可靠性低压开关柜的高设计性、高可靠性传统的低压开关柜，由于技术落后，形体巨大，操作不方便且占地面积巨大，稳定性差，生产效率低下，这些都会导致低压电器产品质量参差不齐，甚至引发可怕的电力事故，造成人员伤亡。对于低压开关柜母排的研究是推进低压开关柜的发展，使其变得更加智能化，实现了机器完全取代人力，能有效地杜绝人为操作的随机性，高效地保证低压开关柜的智能工作及实时反馈。为各行各业人员在电力使用中提供高智能性、高可靠性及高安全性。2.2.3 节省空间、方便操作节省空间、方便操作低压开关柜的母排设计与研究中， 有效的母排设计可以为高低压开关柜箱体提供一个良好的发展方向。现有的高低压开关柜普遍是箱体巨大，其箱体内部空间利用的非常有限，大面积空间没有被完全利用且显得其非常笨重。有效的母排设计可以很好的节省其空间，更加方便被人操作修理。2.2.4 时代方向、良好前景时代方向、良好前景我国正面临着智能城市建设，智能电网大面积普及。但整体技术不够硬，成为我国低压电器行业继续向前发展的最大瓶颈。据统计，国外优秀企业每年将低压电器产品总销售额的 7%投入到新产品的研发上，而我国低压电器企业平均投入只占总销售额的1%2%， 优秀企业也仅仅只有 3%。 随着我国智能电网的发展以及我国国民对于电能多方面的要求，低压电器市场空前繁荣，低压开关柜等低压设备将迎来新的发展高峰，具有良好的发展潜力。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究42.3 方法汇总方法汇总利用学习过得三维制图技术、电磁仿真技术、相关力学知识、电磁原理、线性回归方程、Maxwell 方程组在磁场计算的应用、传感器技术等为低压开关柜体积整体缩小后的母排设计研究奠定基础，从而使研究设计后的低压开关柜使用更加方便、修理更加便捷、更加安全、更加可靠、更加有利于各种各样职业的需求。本课题是研究设计类型的课题，主要内容涉及硬件设计和相关软件应用设计，总体上包括以下几个方面的工作：1、介绍了低压开关柜母排的技术要求，包括功能要求、工艺要求以及试品安装要求。在此基础上，介绍了低压开开关柜的基本组成。2低压开关柜母排结构设计主要是根据磁场影响强度，设计了低压开关柜三维结构方案，根据其三维结构分别用相关仿真软件进行模拟分析。3根据 ANSYS 及相关仿真软件模拟仿真软件对设计的母线排周围磁场进行仿真，并与实际测量数据进行比较，证明模型的合理性。4对于实际测量三相母线通电时某一相母线测量点磁场强度，得到的实际数据，进行相关软件操作，从而得到母线室内磁场分布，然后可以根据磁场分布，可对磁传感器安放位置进行优化。5、研究低压开关柜的干扰源，从内部干扰及外部干扰进行分析。断路器、隔离开关在通断瞬间引起的电磁干扰、电网系统以及外部因素对其造成的干扰等进行分析，从而可以进行抗干扰设计的方向。6、结合实际与仿真结果对于母线排进行合理的摆放位置优化，从而可以找到最佳的磁传感器的测量位置，能使得测量反馈的结果更准确的呈现出来。3 研究内容和方法研究内容和方法3.1 研究内容研究内容本课题是研究设计类型的课题，主要内容涉及硬件设计和相关软件应用设计，总体上包括以下几个方面的工作：1、介绍了低压开关柜母排的技术要求，包括功能要求、工艺要求以及试品安装要求。在此基础上，介绍了低压开开关柜的基本组成。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究52低压开关柜母排结构设计主要是根据磁场影响强度，设计了低压开关柜三维结构方案，根据其三维结构分别用相关仿真软件进行模拟分析。3 根据 ANSYS 模拟仿真软件对设计的母线排周围磁场进行仿真， 并与实际测量数据进行比较，证明模型的合理性。4对于实际测量三相母线通电时某一相母线测量点磁场强度，得到的实际数据，进行相关软件操作，从而得到母线室内磁场分布，然后可以根据磁场分布，可对磁传感器安放位置进行优化。5、研究低压开关柜的干扰源，从内部干扰及外部干扰进行分析。断路器、隔离开关在通断瞬间引起的电磁干扰、电网系统以及外部因素对其造成的干扰等进行分析，从而可以进行抗干扰设计的方向。6、结合实际与仿真结果对于母线排进行合理的摆放位置优化，从而可以找到最佳的磁传感器的测量位置，能使得测量反馈的结果更准确的呈现出来。3.2 研究方法研究方法在设计初期，需要查阅相关资料，对低压开关柜母排的工作原理和特性进行深入分析，了解其对工作环境的要求。在此基础上，合理对母排进行安排布置使“变小的低压开关柜”适应不同的工作环境。母排应该添加高强的抗干扰的设计，以达到高精度、高可靠性的目的。对于母排的空间结构，要根据其相关特性进行合理排布，并通过实验来检测其工作特性，根据需要不断调整其空间排布，最终达到理想的工作效果。根据电磁学、力学等原理分析了母线排工作原理并建立了三维模型；根据电磁干扰问题，低压开关柜内部存在强弱电系统，强电的电磁干扰会对弱电系统产生干扰，磁传感器测量的电流信号在传送至嵌入式系统过程中也可能会被内部电磁干扰。 对于弱电系统的电磁干扰问题，从母排设计、弱电系统走线等方面对抑制电磁干扰进行设计，最大程度上保证系统的正常工作，这对于磁传感器以及各种智能电器、自动化仪表在低压开关柜中实际应用具有重要意义。低压开关柜内部进行模拟仿真分析，由于低压开关柜工作环境长期处于低压、高电流、强磁场的复杂工况下，这会对磁传感器的正常工作造成很大的影响。利用 ANSYS对低压开关柜内部母排等磁场进行电磁仿真，确保磁传感器正常稳定运行。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究64 技术路线技术路线1.收集和整理有关低压开关柜母排设计的资料， 了解母排的设计理念以及设计要求；2.低压开关柜母排机构研究，制定总体方案；3.对低压开关柜母拍的设计进行可行性分析；4.运用三维软件及相关仿真软件进行数据分析；5 预期成果预期成果（1）完成低压开关柜母排设计；（2）完成低压开关柜母排的磁场仿真及受力分析；（3）完成低压开关柜母排设计的总结报告。6 进度安排进度安排（1）第 14 周：文献检索，资料收集，整理有关低压开关柜母排设计的资料,写出开题报告，完成外文资料翻译。（2）第 58 周：设计方案讨论，设计方案确定，进行设计计算。（3）.第 912 周：进行低压开关柜母排磁场仿真及受力分析。（4）.第 1314 周：整理相关数据及仿真图纸进行分析总结。（5）第 1516 周：撰写论文。参考文献参考文献1刘琦琳.智能电网的现实意义J.互联网周刊,2008.42高涛,邓玲,智能电网及其国内外发展概述J.东北电力技术,2012,023程武山.低压电器智能测试技术研究J低压电器,2010,X(21):41-45.4张文亮,刘壮志等.智能电网的研究进展及发展趋势J.电网技术.2009.13(7):1-11.5洪昆评.低压开关柜中几种母排搭接方式的比较J.低压电器,1997(01):33-34.6陈黔宁.母排与金属封板空间距离不足引起短路事故J.电世界,2014,55(11):34-35.上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究77郑纯.基于动稳定校验的低压开关柜母线的设计J.机电工程技术,2006(07):89-91.8郭龙.低压柜结构设计分析J.山东工业技术,2018(07):31.9涂红湘.中国智能电网技术发展现状及趋势J.企业技术开发,2012,31(18):12-16.10.生产安全标准低压开关设备安全要求J.铁道工程学报,1988(S1):28-29.11陈述职.智能型低压开关柜及其发展趋势J.电世界,1999,40(04):6-7.12陈功府.浅析低压开关柜的发展趋势与改进思路J.科技与创新,2016(12):52+54.13Chaly,A.M.,Cunningham,J.Futuretrendsindevelopmentoflow-voltagevacuumswitchgearP.DischargesandElectricalInsulationinVacuum,2002.20thInternationalSymposiumon,2002.14Feenan,J.Lowvoltageassembliesofswitchgearandcontrol-gearcomparisonofUKandcontinentalEuropeanpracticeP.DistributionSwitchgear,1990.ThirdInternationalConferenceonFutureTrendsin,1990.15XiangYuan,ZhenXingQian,YangZhou,YouWang,MingmingYan.DiscussiononthedevelopmenttrendofsmartgridanditskeytechnologyP.2012.16CHENGWushan.Intelligentcontrolofthecomplextechnologyprocessbasedonadaptivepatterncluste-ringandfeaturemapJ.JournalofMathematicalProblemsinEngineering2008(6):256-263.上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究1摘摘要要处于“中国制造 2025”大环境下，中华民族正加大力度促使祖国建设的进步，努力把国家建造成生产制造大国。在这个智能化时代，很多方面都需要电力的支持，低压开关柜作为用户和电网进行沟通的智能化设备，重要性不言而喻。这次研究设计能够使低压开关柜更加智能，更加小型化和更加低成本，能够满足及适应现的新型电网发展要求。本文内容如下：（1）对母排的电磁干扰源和传播方式进行分析，通过棱边单元法分析计算母排通入电流不同时磁场强度大小，找到磁场随母线在不同的电流、间距及高度的变化规律。使用 Ansys 仿真软件进行母排室仿真设计以及分析，确定母排参数。（2）利用 GMR 传感器确定最佳测试位置为 Y=10cm，X=20mm，GMR 传感器的线性工作区间为 0-1000A， 电流测量的相对误差不超过 0.50%等较满意的测试结果，证明了该母排设计的稳定和可靠性，满足了智能电网的基本需求。关键词关键词: :低压开关柜，母排，电磁仿真上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究2Design and Research on Busbar of Low Voltage SwitchgearABSTRACTUnder the environment of made in China 2025, the Chinese nation is stepping up itsefforts to promote the progress of the construction of the motherland and to build thecountry into a big country of production and manufacture. In this intelligent era, manyaspects need the power support, low-voltage switchgear as the intelligent equipment forcommunication between the user and the power grid, the importance is self-evident. Thisresearch and design can make the low-voltage switchgear more intelligent, smaller andlower cost, and can meet and adapt to the requirements of the new grid development. Thecontents of this article are as follows:(1) The electromagnetic interference sources and propagation modes of the bus roware analyzed and calculated by the edge element method. The variation rule of the magneticfield with different current, spacing and height of the bus line is found out. The simulationdesign and analysis of the master row chamber are carried out by using the Ansyssimulation software, and the parameters of the bus row are determined.(b) The GMR sensor is used to determine the optimal test position is Y=10cm, X=20mm, the linear operating range of the sensor is 0 1000A, the relative error of currentmeasurement is not more than 0.50%, etc. The stability and reliability of the bus design areproved. Meet the basic needs of the smart grid.Key words: low voltage switch cabinet ,Busbar,Electromagnetic simulation上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究3低压开关柜母排设计低压开关柜母排设计与与研究研究赵云鹏赵云鹏 0111151010111151011 1 绪论绪论1.11.1 课题研究背景课题研究背景.1 1 智能电网下的低压开关柜智能电网下的低压开关柜在我国国家建设不断越走越远、越来越进步的道路上，电能在这条路上饰演着尤其重要的内容，而在我国电使用发展道路上，电能也是慢慢演变成创新性，环保型，经济型，可靠型的能源。电能是用于用户和发电设备两者之间的“货币”，由各种各样的发电设备及不同的用户交叉形成一个交叉的网络。在如今信息化发展迅猛地时代，这种网络在这种环境下发展的愈发智能化，也就是常说的现在的智能电网，也被叫做“电网 2.0”，其主要组成由通信系统，最新的传感和测量设备、高精度的设备、完善的控制程序等等，这些先进的科学文明产物使电网愈加智能化，所以现在国家的电网是正在走在智能化的路上。因为时代发展的脚步不会停滞不前，目前发展方向是要将这个时代最先进的内容融入到电网中去，传统技术与先进电力技术取长补短，加快电网智能化建设。在日益发展的智能电网的背景下，低压开关柜也渐渐出现在公众的视野当中，低压开关柜在电网智能化的发展中是必不可少的一环。目前，低压开关柜已被广泛应用于我国众多行业和领域中，而许多现代化企业也积极引进了各种先进的技术和设备。 借鉴国外相关工作的经验， 在厉害的设备支持下，我国低压开关设备的质量和生产效率都得到了增长1。但是低压开关设备在使用过程中仍然还是存在很多难点，具有很大的安全隐患。所以低压设备愈加智能化就显得极其关键，国家也极大促进这类设备智能化的进步。本设计基于这样的背景下引用目前的传感测量技术对于母排设计及研究，使低压开关变得更加智能化。.2 低压开关柜的种类及结构低压开关柜的种类及结构低压开关柜在我国市场上存在的种类多种多样，其分类标准主要是断路器安装方式、隔离室构造和绝缘介质三个标准进行分类2。主要类型为以下三类：上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究4(1)断路器的安装规格。主要有固定式和手车式。固定式型号的大部分设备都是不能运动的，由于需要维修，所以这种不能运动的开关柜体都较大，但价格较低。手车形式的开关柜断路器的安放方式采用手车，检修时推出柜体即可，所以手车式开关柜体积较小3。(2)开关柜内部隔离室设计结构。使用多的大致有两种，铠式开关柜内的所有器件全部用金属外壳的隔离室进行分离， 安全系数非常高。 间隔式采用非金属作为隔离室，结构紧凑，但抗干扰能力差。(3)开关柜内的绝缘材质。 可分为空气绝缘和复合绝缘两种绝缘形式。 在安全方面，开关柜需要具备五防的能力。开关柜内常用的器件主要有：通电装置、导通及切断装置、数字仪表和减少雷电影响装置等4。1.21.2 低压开关柜国内外现状低压开关柜国内外现状.1 低压开关柜母排研究国内外现状低压开关柜母排研究国内外现状在国外，由于国外经济优势大于国内，所以国外对于低压开关柜研究起步早，领先国内发展水平。目前国外低压设备发展趋向与少人工参与、通信及时、智能化等方面，能保证电能余量，加大电能利用率，从而能收获大幅度的经济效益。其次，国外主张提高设备的精密程度，是低压设备工作年限大幅度提高，出现事故降低到最小程度。除此之外还努力将低压开关设备的柜体处理技术发展成更为先进的安装技术，在柜体中加入人工智能功能。国外的企业主要以西门子为首对低压开关设备进行大量的研究分析，每个企业对于低压开关设备的研发以及制造均有各自的优点，总体上的趋势都是一样的，都是希望低压开关设备愈加小型化，效益多元化，技术先进化，都促使我国所研究的主体设备愈发智能化。(1)由于国内技术水平严重不足，近年来虽然国内低压开关设备有一定的发展，但是相较于国外的技术水平还是相差很大一段距离的，常常要购买国外的低压开关设备，也在借鉴模仿国外先进的内容，具体有以下几个方面：(2)高性价比元件的深入研发。投资大量资金学习国外企业的核心技术，将这些高性价比的元件应用于低压开关设备中，提高低压开关设备的性能。(3)先进的安装及加工方式。通过高精度额数控铣床的应用，能使低压开关设备柜上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究5体更加精确，完善的母排制造工艺和新材料的开发使用。(4)介质不断地创新。 一代又一代性能完好的绝缘介质的发展促使了低压设备的一次又一次进步，而这些创新是低压开关设备具备更强的适应能力。国外对于低压设备的研究起步明显比我国早，现有的低压设备先进程度也是位于世界前列。.2 本研究设计国内外分析现状本研究设计国内外分析现状20 世纪 60 年代末，我国正式走出发展强国的路线，由于国家建设初期，由于环境艰苦，经济条件差但是人穷志不穷，我国开始自主对低压开关设备进行设计。在此后 20 年里，我国不断学习国外的先进技术及创新理念，储备了大量的人才，经过这么多年的不断进步，经济形势大幅度回升，我国对于低压设备的创新能力以及创新理念也不断增强，但是制造出来的三代产品均是体积巨大、功能简单、性能不稳定。进入新世纪后，我国与国外公司进行合作，低压开关设备制造技术产生了质的飞跃，我国对于低压开关柜的生产制造的规模大幅度加强，而且生产出来的低压设备自身带有很高的技术指标，功能也越来越多。进入 21 世纪，传感技术突飞猛进的发展，使低压开关柜迎来了又一次进步，低压开关设备也越来越智能化，模块化。正是新技术的发展更新了旧的技术，低压开关柜也慢慢向多元化发展，我国的低压开关技术也慢慢追赶世界先进水平。就目前国内对于这个行业与世界先进企业相比存在的不足之处表现在如下 3 点：（1）低压开关设备外壳尺寸。国外低压开关设备大部分都比国内设备尺寸小，对于低压开关设备尺寸要求要远远小于我国，例如 ABB 企业方为了减小低压开关设备整体体积，对灭弧室进行了开发与研究。（2）智能化。低压开关柜要做到通过显示屏以数字形式实现用户与机器的沟通，运用通信技术便于人工控制， 以及自我保护等能力， 但就目前国内低压开关设备水平，明显未能达到相应智能化的要求。（3）工艺水平。在国外不仅是低压开关管设备行业先进程度位列世界前茅，其他一些先进技术也处于世界级水准。国外的生产工具比较先进，而且制造的手段非常高明。虽然我国也投资引进一批先进的加工设备，但是工人的技术水平远比不上国外工人的技术水准，造成我国低压设备制造精度远小于国外水准。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究.3 母排抗电磁干扰研究近况母排抗电磁干扰研究近况在我国国家电网愈加智能化，也影响着国内电力设备公司的进步。而这些公司也产生了极大地竞争力，也就是说现在的电力相关设备的技术性及智能化也逐渐提高，不仅能完成强电控制功能，还能得到电量参数、进行数字化处理、有自我保护能力等等。一旦电力设备出现故障不能及时维修，会造成很严重的安全事故，而这些电子设备需要一个合适的工作环境， 才能更好的运行。 低压开关柜就目前为止工作于低电压，高电流，复杂的磁场的恶劣环境中，如果其中环境不能加以改变，那么肯定影响检测系统地稳定，令其运行处理数据出现误差，造成严重的后果。那么，研究低压设备电磁干扰源是电压设备发展的必走之路。目前，抗电磁干扰对于当下自动化生产制造中必不可少的一环，而抗电磁干扰技术目前发展方向如下：（1）将电磁学中的计算运用到电磁兼容的领域中，应用比较多的方法有时域有限差分以及限元法等。（2）对于电磁兼用中测量工具及测量方法的研究。（3）基于传输线理论及电磁拓扑来进行复杂布线系统的电磁兼容预测5。对于抗电磁干扰技术的研发，发达国家依然位在世界的首位。我国正式开始对于抗电磁干扰技术的研发时间要晚于国外， 1980 我国逐步确定了相关技术人才并制订相关技术准则, 当下已确立了 30+个国家级别细则6。 我国目前经济形势大好， 致力成为生产制造强国，对于电磁兼容技术的发展抱有极大的信心。1.31.3 研究意义及设计目标研究意义及设计目标.1 研究意义研究意义在我国制造业发展前景大好的状况下，我国电网也愈加智能化，低压开关柜在智能电网下也是至关重要。所以研究设计低压开关柜对于智能化电网的进步具有重大意义。本设计从低压设备内部母排室研究分析，通过设计减小母排的占用空间，从而减小低压设备的整体体积，另外引用先进的磁传感器技术也符合低压开关柜的智能化发展趋势。.2 设计目标设计目标本设计结合实际， 通过对于低压开关柜母拍的研究设计后， 具有如下功能和特点：上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究7（1）采用传感技术对于母排上电流进行测量。 运用 GMR 传感器来收集母排上电流大小的数据，而且运用传感技术能有效的提高测量精度。（2）母排室内进行电磁场仿真分析。利用相关仿真软件对于低压开关柜中的电磁场进行仿真还原，设计合理的拓扑矩阵，有效地提高磁传感器的工作状态。（3）设计母排的三维仿真模型。利用测量数据证明母排设计的合理性，找到最佳的母排摆放位置。（4）抗电磁干扰研究。低压开关柜工作环境中具有电磁干扰现象，不利于低压开关柜的工作，所以从监测系统、母排室方面进行探讨，提出抑制电磁干扰方法，最大程度上保证低压设备日常工作进行。2 2 低压开关柜母排大电流测量研究低压开关柜母排大电流测量研究2.12.1 电流测量方法电流测量方法.1 经典测量电流方法经典测量电流方法(1) 运用霍尔相关设备对电流进行测量。霍尔(Hall)的工作原理图如图 2.1 所示。霍尔(Hall)在某一次实验中，发现如果电流流过导体且垂直于磁场，将会产生电势差，被人们称作的霍尔效应(Hall Effect)。这种电流产生的电势差为霍尔电压 VH，在洛伦兹力存在的情况下，载流子会向导体的一侧偏移产生电势差，进而演变成霍尔电场EH。若果电场逐渐增强，洛伦兹力 fL 和静电力 fE 将会达到平衡状态，如果保持电流不变的情况下即有霍尔电压公式：?=? I?B(2.1)图 2.1 霍尔工作原理图上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究8由公式(2.1)，很明显的发现磁场 B 与霍尔电动势 VH成线性关系。当代科学家利用霍尔效应制造了很多先进的设备， 其中的传感设备也就是众人常说的霍尔传感器8。霍尔传感器当下是全世界使用密集的传感器，而且该种传感器制造工艺简单。但是霍尔传感器大多由半导体构成，根据半导体的特性，若果温度过高那么会使半导体不工作，这也是霍尔传感器最大的不足之处。(2) 运用电流互感器对电流进行测量。电流互感(Current Transformer，CT)的原理图如图 2.2 所示。在整个通电系统，往往把较大的电流(I1)变换为较小的电流(I2)，因此要求一次绕组(N1)线圈的匝数小于二次绕组(N2)的匝数。 互感装置基本理论与升压降压的理论相差不多，当电流通过线圈会产生变换的磁场，而这种变换将会引起线圈2 并产生电流，从而方便监测电流7。图 2.2 电流互感原理图当铁质材料左边绕组通过电流 I1时，左边铁质材料上的磁通量为 I1N1，由电磁学中的电磁感应原理得知，在铁芯右侧绕组中会产生 I2电流，通过电流表的读数可以得到 I2电流的大小，然后通过计算可以得到 I1的电流大小。这种电流测量方法虽然测量结构简单，测量的电流量程大，但是这种方法已经不能满足用户对低压开关柜实时测量电流的需求。(3) 运用罗氏线圈对电流进行测量。罗氏线圈(Rogowski)的原理图如图 2.3 所示。其结构是在一个非磁性的环形结构上由导线均匀环绕而形成的空心线圈，本设计需要测量电流时只需要将被测电流的导线穿过线圈的中心即可。通过安培环路以及电磁感应两大定律，线圈在磁场的作用下，其两端将会产生电势差，此电动势的大小与被测电流对时间的微分成正比。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究9图 2.3 罗氏线圈工作原理如果线圈满足线匝切面中每个位置的磁场大小相同，那么由于变化磁场的感应电动势 e(t)为：?= ?t?(2.2)在(2.2)式中 ? =?h?，?=4?10-7H/m,其中 N 表示绕组匝数；?表示真空磁导率；H/m 表示环形结构高度；A/m 表示环形结构外径大小；B/m 表示环形结构内经大小；t?表示导线中的电流值。Rogowski 电流互感设备属于电感测量中的一份子，测试规模大、精密度好、量程很大等很多突出特点9。但是其价格比较贵，多用于实验室测量中，没有大量普及使用。.2 智能测量电流方法智能测量电流方法随着时代的进步以及科学技术的不断进展，对于电流的测量方法也渐渐变得越来越多， 而磁传感器测量电流的方式也脱颖而出。 比较突出的带有磁效应传感器(GMR)，各向异性传感器(AMR)和隧道磁电阻传感器(TMR)10。在这几种传感器里面，最引人注意的就是 GMR 传感器。 GMR 基本理论是由格林贝格尔和菲尔在 80s 后提出的巨磁电阻效应11。GMR 应用于很多场景中，例如测量速度、位移、控制的电力大小等场景中。GMR 传感器有着随磁场的变化而对应输出值变化的功能，在检测大电流的场景里有着不错的发展前景。与别的磁传感器相比较而言 GMR 占据很大优势，体积上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究10小，价格实惠，功率低，线性度好和以测量交直流等功能。下表 2.1 是电流检测器件性能比较，根据对比结果显示，GMR 更适合这次母排中大电流的测试器件。表 2.1 几种测电流方式相关参数对比表评价指标Hall 传感器罗氏线圈GMR价格低高低灵敏度低低高非线性度0.1%-1%0.05%0.001%-0.05%电流域10mA-35KA1mA-10KA耐压度低压(1Kv)超高压超高压不足之处温度材质敏感消耗金属位置敏感2.22.2 GiantGiant MagnetoMagneto ResistanceResistance 原理基础原理基础.1 巨磁阻测量原理巨磁阻测量原理在 1988 年，两个法国及德国科学家发现了巨磁阻效应，用二流体的模型可以描述其基本原理，如下图 2.4 所示：图(a) 高电阻态在反磁铁耦合的原理图图(b) 低阻态受外磁场影响下的原理图图 2.4 二流体模型图上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究11在图(a)中，能发现当通过的电流自上而下流过时，由于磁场作用导致电阻率低。当出现反耦合现象，通过的电流由下向上，导致电阻值变大。在图(b)中，由于磁场的作用形成特殊状态即高低阻通道， 由于关系为并联状态， 所以多层膜状态为低阻态，也就是日常学习中说的巨磁阻效应12。GMR 属于应用巨磁效应的一种传感器， 根据 GMR 本身的功能可以测出磁场的变化规律进而本次可以进一步得出电流的变化规律，这类传感器的电路原理如图 2.5。GMR 传感器利用惠斯通电桥结构，由供电电源 VCC 和 GND，4 个特殊材料电阻、一个输出电压端 Vout 构造。电阻 R1 和 R3 由于有屏蔽材料的保护所以不受外磁场的影响，而电阻 R2 和 R4 没有屏蔽材料的保护，因此会随外磁场的变化而随之改变。当传感设备处于外磁场影响下， 因 R2 和 R4 会受到影响， 所以阻值跟随外磁场的变化而改变，从而整个电桥输出电压发生变化，变化的电压值就代表整个外磁场的变化量，从而也代表整个电流的变化量13。图 2.5 GMR 传感器原理图计算输出电压过程如下：R1，R2，R3，R4 在电源 VCC 的作用下组成一个电桥，其电阻值分别为 R。GMR 磁敏方向与此时磁场方向保持一致，由上述得知外磁场变化那么 R2 和 R4 也会变化。设 R2、R4 的阻值变化量是R，则：?=?tt(2.3)?=?tt(2.4)由公式(2.3)、(2.4)求出电压值为：? = ? ?=?tt(2.5)电阻 R2、R4 的变化量R 远小于 R 值大小，式(2.5)等价为：上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究12? =?tt(2.6)如果用函数表达磁场强度 B 与电阻变化量的关系，则：? =?(2.7)其中 K 为常数，将公式(2.7)带入公式(2.6)得：? =?tt(2.8)上述为 GMR 基本理论及工作方式，接下来分析通电后的磁场效应。.2 静态磁场研究静态磁场研究对于静态磁场研究分析，将用到毕奥萨伐尔理论(Biot-Savart-Law)。对于一根通电导线且导线线电流大小为 ?，在导线上任意截取一段长度为 ?，那么这段导线的电流值为 ?，那么这段单元 ? 对空间中随便 ? 处产生的电磁感应强度为：? = ?(2.9)式(2.9)中，? 表示表示数系数；? 表示线电流微元；?表示线电流微元到 ? 处的方向矢量；? 表示线电流到 ? 处的距离；? 表示线电流元对 ? 处产生磁场强度，特斯拉(T)，等价于韦伯每平方米。计算线通电后磁场强度过程如下，计算原理如图 2.6：图 2.6 线电流对某一点产生的磁感应强度图 2.6 中，设 Q 到点 P 的空间距离为 R，R 的表达式为：? = ?(2.10)式(2.9)中的 k 的表达式为：上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究13? =?(2.11)式(2.11)中，?= ? ? ?表示为真空磁导率，那么可以得到：? =?(2.13)由数学中微积分定理可以算出 P 磁感应强度为：? =?(2.13)P 点 B 的方向垂直于 ? 和 R 组成的平面。本设计的研究涉及对象为低压开关柜的母排，母排主体是垂直向下的长方体导线，下面这种方法也是测量母排磁场的一种参照方法。图 2.7 垂直导线在空间磁场示意图根据图 2.7，设通电导线 AB 垂直于 xy 平面，对于平面 xy 上任意 P 点的磁场量为：Idl ? R = Idz? ? ?= ?(2.14)式(2.14)带入公式(2.13)得到：B =?(2.15)如果通电设备无限长，则 ? = ?，? =? ?，则对应的空间内，任意点磁场强度大小为：? =?(2.16)上述为空间内通电直导线产生磁场的基本原理，本设计依据此原理来作为参照计算低压开关柜母排磁场分布。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究142.32.3 GiantGiant MagnetoMagneto ResistanceResistance 阵列研究阵列研究.1 GiantGiant MagnetoMagneto ResistanceResistance 测量阵列拓扑测量阵列拓扑空间平均值以及傅立叶变换阵列是应用 GMR 传感器测量电磁场的两种方法，空间平均值法理论如图 2.8。空间平均值法的原理是在被测物周围放置 N 枚(N 根据物体的形状而定，N2)传感器，对得到的实际结果取平均值作为结论性数据14。空间平均值法不能很好地应用于本次母排设计，所以选用傅立叶变换阵列。图 2.8 空间平均值法示意图目前的低压开关柜中的母线一般有金属铜制成， 其摆放位置和尺寸如图 2.9 所示，单个母排宽设为 W，母排厚设为 D，母排与母排的距离设为 L。如果如图所示在 A、B、C 三个母排前都安放一个 GMR 测量设备，设 GMR 距离母排面的距离为 Y，距离母排边缘的距离为 X，那么根据 X Y 两个参数确定 GMR 传感器引用的最优距离。以实物 KYN-28 型号开关柜中母排的尺寸作为参考，测量出：W=80mm，L=200mm。图 2.9 母排摆放示意图上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究.2 矩阵数学模型矩阵数学模型线性度及同频同相性的问题可以通过建立数学模型分析。设三个 ABC 母排中通电数值分别为三相电?t，那么对应的每个母排自身的磁感应强度分别为?t。设计关于母排及检测设备的空间直角坐标系，那么为检测设备的位置坐标为?t?t?t，如果设检测设备在这三个位置的电压分别为?t，运用傅立叶级数对?分析，得到如下结论：? =?=?tth? ? ?=?=?=? =?=?tth? ? ?=?=?=?t? =?=?t?tth? ? ?t?=?t?t?=?=?t?(2.17)式(2.17)中，?= ?；?= ?；?t?= ?t?t?，?表示为电流谐波幅值，?表示为母排 X 中电流相位，? = ?，? 为 DFT 的采样频率。同理可得：? ?=?=?=? ?=?=?=?t? ?=?t?=?=?t?t?(2.18)? ?=?=?=?上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究16? ?=?=?=?t? ?=?t?=?=?t?t?(2.19)由上述可知，排除低压开关中的其他因素的影响，流经排的大电流产生的感应磁场在空间线性和同频线性上相符合。对于同相性分析。设空间某个位置，设该位置附近磁场大小是各相电流产生的磁场在该位置的矢量和， 那么此点的感应系数设为? ，那么可以得到下面的公式：?= ?=?=?=?=?=?(2.20)在 220V 的电压下，流经三相母排的电流频率为 50Hz,因此对于产生的电磁感应的相位延迟可以忽略不计，那么对于磁传感器 GMR 的相位延迟可以忽略不计。据上述分析可知道，对于同相性也是能满足的。由电磁学知识，知道变化的电能产生磁，若果我们设磁感应强度 B 与电流 I 成一次线性关系，那么有：?= ? ? ?(2.21)对于点 ?的感生磁场强度为：? =?=?=?=?=?=? ?(2.22)由于传感器 GMR 中电压值与磁感应强度存在函数关系，若果设敏感系数为?t，GMR 传感器的参数则决定敏感系数的大小， 因此可以得到 GMR 电势差值和磁场强度B 的表达式为：? = ?t? = ?t?=?=? ? ?=?=?=? ?(2.23)式(2.23)中，?=?= ?代表为感应系数，其含义是?相母排的电流 ? 次谐波在?点的设备输出比系数15。设备在三个位置输出电势差值得矩阵形式为：上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究17?=?(2.24)式(2.24)中矩阵 C 表示为流经母排的电流I 与传感器显示的电压值 V 之间的系数，以简化计算为目的，公式(2.24)可以将实部和虚部两部分分开来表达：?t?=? ?t?t?t?(2.25)运用 DFT 技术对传感器反应的参数进行处理，我们可以获得向量?t?，若涡流效应集肤效应的影响可以忽略，由于频率相同以及在电网谐波影响小的状态下，我们可以使公式(2.25)简化：?=?(2.26)2.2.4 4 本章小结本章小结在本章，举例并分析了几种大电流的测量方法并进行对比，最终筛选出巨磁阻传感器 GMR 作为这次设计研究的工具。另外，对于 GMR 的工作原理以及测量拓扑结构进行阐述，利用傅立叶变换阵列建立了数学模型。利用此数学模型分析了线性度以及频率是否相同进行论证，最终得到了傅立叶函数的数学公式，并为后续仿真设计提供理论依据。3 3 低压开关柜磁场仿真与低压开关柜磁场仿真与研究研究3.13.1 电磁场计算分析电磁场计算分析.1 数值分析方法数值分析方法了解设计研究实际所做内容，然后才能用到电磁场的数值分析手段。而数值分析主要适用于满足实际要求的数学模形，然后利用数值分析的方法进行计算，分别进行数学离散处理，将接连的数学模形进行改变，改变成一段一段的数学模子，最后将一段一段的数学模形进行计算求解。通过得到的数据即离散的解，然后进行后面的处理分析，基于此将能对所求区域内每个点的磁场强度、分布以及能量消耗等参数进行计上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究18算，为设计需要的内容提供数据支持。使用最广泛的电磁场的分析法大多数都是以 Maxwell 微积分为根基的有限元差分、有限元、积分方程等途径，模拟电荷的手段等等，还有将上述方式的特色之处联合起来应用的方式。通过对磁场的研究，麦克斯韦方程组在母排研究设计过程有着至关重要的作用。关于电磁场的性质、 运动规律以及电磁场变化规律的确定， 都是被这个方程组所决定。上面所说的方程组是关于一些关系密切的电荷、电流、磁场、电场的方程组，所有磁场内的实物都要满足麦克斯韦方程组。 ? ?= ? ? ?=? ? ?= ? ? ?= ?(3.1)式(3.1)中，?表示为磁场强度，单位(A/m)；?表示为电流的密度，单位(A/m2)；?表示为磁场强度，单位(T)；?表示电位移,单位为(C/m)；?表示电荷密度，单位(C/m3)。在(3-1)方程组中，全电流定律由式(1)表示，也是麦克斯韦第一定律的体现，表达了电场的变化将会产生磁场，也就是众人常说的电生磁，而电磁波形成的前提条件就是式(1)。电磁感应定理由式(2)表示，表达了通过磁场的变换可以产生电，就是常说的磁生电。表现磁通量连续的方程为式(3)，阐述磁场中的磁力线每一条都是首尾相连接的曲线。高斯定理由式(4)表示，表达了电场的产生是通过电荷的发散进行的。若计算并求解三维空间上的电磁场，那么会用到有限元方法求解，大致有三种方法。首先是磁矢量法，主要用于所求解的范围内不能含有铁磁的材料，应用有三维静态分析、交流分析、瞬态分析。其次是磁标量法，其基本原理是把电源为基本单元然后特殊处理，不用独自为其设计模型以及网格的分布，这样很容易建立模型，此方法应用最多的是三维静磁场的分析。最后就是应用最多的也是最新的电磁场分析方法棱边单元法，不仅在静态、瞬态电磁场中使用，而且对于研究设计要求解的范围下也可以包含铁磁相关材料分析。.2 电磁场有限元法电磁场有限元法(1) 电磁场中有限元的大致内容上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究19在电磁场存在的情况下，运用有限元处理的步骤中主要是把设计研究所求的区域分成离散的区域单位，然后利用节点结合具体的函数插值能求出区域单元的所求量。在节点上利用对应的平衡关系以及能量关系建立方程式，把每个单元节点的方程式结合成方程组，加入边界条件进行求解，进而把这类连续函数问题改变成离散型的数学问题。在实际运用中，如果运用有限元的方法，就要按着这种思路先要将连续的场进行离散处理，形成有限的个体，三维场电磁场的形状大致有长方体、正方体等等，二位电磁场的大致形状主要有三角形、四边形等等。(2) 运用有限元计算的步骤运用离散法进行离散由上述可知，如果计算连续的函数模型首先要进行离散化处理，将要计算的连续函数转换成许多独立的单元，这是研究设计要做的第一步。在空间中，基于此可以了解到有二维电磁场也有三维电磁场，而且这些磁场的形状也各式各样，所以如果一个数学模型要进行离散那么会造成离散处理后的个体形状不一。基于这个原因，当在处理电磁场数学模型的时候，要根据现实所需要的进行单元的划分，这要才能有利于本文接下来的有限元处理。筛选变量模型出于对后面的计算精度考虑，所以需要慎重的选取电磁场的数学模型。另外，在选取过程中，还要考虑一件事就是选取结果能便于后面的计算，提高效率。研究可以利用多项式计算简单、便于处理的性质，将其应用于后面的筛选结果中，即离散多少单元节点那么就会有多少多项式。单元特点研究对于设计所要研究的每个单元，进行研究分析，充分了解后可以在各个单元的节点上列方程。根据步骤建立方程组把涉及的分散出来的个体单元结合起来就是本设计要分析的问题，所以就需要将步骤的方程式结合起来建立方程组，得到求解矩阵。对于方程组进行数学计算求解上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究203.23.2 低压开关柜母排室有限元处理低压开关柜母排室有限元处理.1 母排电磁场方程母排电磁场方程图 3.1 母排计算区域低压开关柜中，流经母排的电流频率为工频 50Hz，由于第二章建立的数学模型对于同频性分析可知， 磁场变化的速度比较小， 而且电磁波的尺寸又大于母排的尺寸，所以位移电流设计可以忽略不考虑。基于此可以列麦克斯韦方程： ? ? = ? ? ? =? ? ? = ?(3.2)接下来在本文中设矢量磁位为 A，标量电位为?，根据这两个参数以及电磁学的相关知识，能得到 ? = ? ? ?,? = ? ? ?。在电流频率 50Hz 的情况下，有： ? ? ? = ?t? ? ? ? ?= ?(3.3)由图 3.1 所示，建立内部边界条件以及外部边界条件。用?，?，? 表示内部边界参数，用? 表示外部边界参数，如果假设参数? = ?，t = ?，下面分别对内外边界讨论。（1）内边界条件分析在?，?，? 三个交界面上结合电磁学中的磁通量密度性质，得到：B ?t? ? = ? ? ?(3.4)将 ? = ? ? ? 带入(3.4)中，得到： ? A ?t? ? = ? ? ? = ?(3.5)上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究21磁场强度不仅在法向量上是连续的而且切向量也是连续的，据此得到：? ? ? ?t? ? = ? ? ?(3.6)（2）外边界条件分析在低压开关柜母排室内，本文假设的外边界是没有电流通过的，磁感线只垂直于?，那么有：n ?= ?(3.7)上述为母排的电磁场方程。.2 电磁场方程棱边元离散电磁场方程棱边元离散对于上述电磁场方程运用棱边有限元方法进行处理，所求矢量在各自的棱运用积分能求将需要的结果，即自由度。利用空间中正方体极度高的特性，本设计选取正方体做离散处理。如图 3.2：图 3.2 正方体节点单元根据图 3.2，我们可以局部坐标系进行分析，如果直接在整个空间直角坐标系对整体应用函数关系，是一件非常困难的事情。在这种正方体单元中，在计算中可以列出其节点的函数关系：?= ? ? ? h ?= ? ? h?= ? ? h ?= ? ? ? h ?= ? ? ? h?= ? ? ? h?= ?h?= ? ? ?p(3.8)式(3.8)中，? ? ?h ? ?上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究22查表得到正方体单元函数关系：?= ? ? h ?= ? ? h ?= ? ? h?= ?h?= ? ? ? h?= ? ? ? ?h?= uvp?= ? ? h?= ? v? p ?= ? ? h?= upv?= ? u pv(3.9)将正方体单元转化成局部坐标系，我们可以列出雅可比矩阵如下：?=?h=?h?h?h? ?=?h?=?h?h?h?(3.10)已知? ? ? = ?，? ? ?h = ?，那么? = ? ? ?h；已知? ? ? = ?，那么 ? ? ? ? ? ?h ， ? = 基 于 此 可 以 推 导 出 ? =?h=?， ? =?，? =?,? =?h?。及下式：?=?=?t ? ? =?=?t ?=?=?h?(3.11)因此就能算出?、?、?h。在低压开关柜内部的母排室中，本文中将母排尺寸参数分别设为长为 a，宽为 b，厚为 c，计算出其体积为? = abc。长方体母排单元处于空间，设其所在位置为(xc,yc,zc)。根据上述方式对此单元进行离散：? =?t，? =?，?h =?t?(3.12)如果建立条件222;222222321czzbyyaxxczzbyyaxxcccccc(3.13)上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究23利用式(3.10)，建立母排插值函数：?=?t? ? ? t ?=?t ? ? t?=?t? ? ?t ?=?t ? ?t?=?t? ? ? ? ?=?t? ? ? ?=?t? ? ? ?=?t? ? ?=?t? ? ? ?=?t ? ?=?t? ?=?t ? ?(3.14)根据电磁场方程对母排的分析如下：涡流区母排控制方程：? ? ? ? = ?t?(3.15)非涡流区母排控制方程：? = ?h (3.16)所求区域的控制方程：? ? ? ? = ?h ?t?(3.17)通过里兹-伽辽金方法对(3.17)进行处理，有：1221)1(vvNdvJNdvAjNdvAvvs(3.18)式(3.18)中，N 表示为插值基函数。3 3. .3 3 GMRGMR 传感器测量位置的确定传感器测量位置的确定3 3. .3 3.1GMR.1GMR 传感器位置传感器位置实验实验在数学模型分析后及 GMR 拓扑位置的确定。第一步要对传感器测试，目的是确定测量数据时，传感器的最佳位置，将实验器材准备并测试好，然后开始试验。在正式开始做实验之前，需要对母排进行预处理一下，以网格的形式对母排的表面进行划分，每个点之间的距离为 10mm。得如图 3.3 所示：上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究24图 3.3 母排测量点划分相关测量实物图如图 3.4 所示：图(a) 现场测试图图(b) 现场测试图图 3.4 现场实验图运用设计中应用的测量装置 CH-1600 磁通计根据上图(3.4)划分的点进行分别测试，记录每个点通入不同电流产生的磁场大小。在母排中通入电流后显示的数据。如图 3.5 所示：上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究25图 3.5 水平测量距离测定从图(3.5)中可以观察到在母排中间位置处，磁场的变化缓慢且有规律，但是母排两侧位置的磁场并不均匀而且有些紊乱，所以为了找到最合适传感器测量位置将在母排中间进行筛选。通过对数据的进一步分析，母排表面左侧第三个点处，磁场改变均匀，能作为设计研究测试的参照点。最后得出设计中测量的水平距离，以母排表面左下角设置为(0，0)，那么这个参照点的坐标为(20,y),将这个点设为 M 点，则 X=20mm。当水平距离测试好以后，接下来需要对母排与传感器的相对距离进行选取，设这个距离为 Y。根据现有的开关柜的准则，物体距离母排的最小距离为 10cm，即母排与传感器的最小间隔为 10cm。为了进一步探究母排与传感器最合适的距离，设计中分三种情况进行分析，设 Y1=10cm，Y2=13cm，Y3=18cm。然后对这三种情况分别测试，一组数据测试五次然后取平均值。经过测量得到的结果如图 3.6 所示：图 3.6 垂直测量距离测定上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究26在图 3.6 中，能发现当传感器与母排相距 10cm 的数据比较有规律所以确定Y=10cm，最终在本设计中确定适合传感器坐标为(20mm,10cm)。3 3. .3 3.2.2 磁场数据磁场数据仿真仿真将所有设备调试好进行如下测量：(1)在单相母排中通入电流 GMR 数据(2)三相母排中通入电流 GMR 数据(3)GMR 位于母排不同位置时数据对于测试一、 二得到的数据进行数据分析， 基于此能得到单独一个母排的电势差。通过母排表面不同的位置进行测试，多次试验才能得到出 GMR 位置的准确性。部分数据如图 3.7(a)(b)所示：图(a) 母排 A 中通入电流时 B 中测试数据图(b) 母排 A 中通入电流测试数据上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究27图(c) 三相母排通入电流数据图(d) 母排表面不同位置数据图 3.7 相关数据截图3 3. .3 3.3.3 数据线性分析数据线性分析通过设计中设定的 M 点进行数据分析，当在实验过程中最高电流不超过 1300A大小时，本文设定= ?,表示从零开始，一次测试后升高 20A 的电流进行测试。同样一种电流情况测试五次并取平均值，然后将所有数据汇总然后进行数据分析，得到图 3.8。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究28图 3.8 M 点不同电流测试数据在图 3.8 中，可以很直观的看到，当电流大小小于 1000A 的时候，传感器输出的电势差值与通入的电流大小成正比，当电流值在 1000A 以上时，数据图出现了趋于水平的现象，这表明 GMR 传感器能工作在 1000A 电流以下的环境，虽然可能会存在误差，但是工作电流最大不超过 1250A。设计将范围固定在 1000A 以内进行研究，即在电压与电流关系规律的范围内进行数据拟合得到的数据图如图 3.9 所示：图 3.9 GMR 传感器线性度在图 3.9 中，能发现当通入母排的电流小于 1000A 时，GMR 输出成一次函数关系。根据表中显示拟合度超过了 99.9%，证明了 GMR 传感器在 0-1000A 的电流区域内表现出良好的线性度16。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究293.3.4 4 母排设计数据分析母排设计数据分析3.3.4 4.1.1 工作电流大小产生的效应工作电流大小产生的效应低压开关柜的母排正常运转时，流经母排的电流将会使母排工作状态发生改变，在母排中加载 400A、600A 的大电流，根据仿真软件得到的图 3.10 如下：图(a) 600A 大电流图(b) 400A 大电流图 3.10 加载不同电流的母排磁场示意图上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究30将上述所示分析结论以固定点的方式进行分析，如图 3.11：图 3.11 母排在加载电流下的磁场分布通过图 3.11 这个曲线图，可以很明显的发现通电越多，母排产生的磁场越强烈，在加载三种不同的电流条件时，电流 800A 时，磁场强度也是最大的。3.3.4 4.2.2 母排与母排间距大小的影响母排与母排间距大小的影响在软件中把母排大小，形状制作成一样的，只需要改变母排与母排之间的距离，从而来分母排与母排之间的距离所造成的影响。各个母排的距离分别设置为 70mm、125mm、160mm，根据这三种情境下的母排的仿真图进行分析。运用 Ansys 仿真软件进行仿真，设置流经母排的电流大小固定为 800A，然后分别设置上述三种距离条件，分析数据得到下面数据曲线图，如图 3.12：图 3.12 母排与母排的距离对磁场的影响上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究31由图 3.12 所示，可以得到这样一个结论：母排与母排间距很近，其附近的磁场影响就越大;而母排相距越远，则母排附近磁场影响小。由前面章节叙述的那样，通电的母排会形成磁场，而单独一个母排面上任意一点受到磁场的影响是三个母排形成的磁场在这个点叠加的表现。母排距离越近，收到叠加磁场的影响就越剧烈，自身产生的磁场变化稳定的情况下，测量的数据将会变大。为了进一步检验这种关系，现在把母排一加载 800A 的电流，母排二所受磁场影响与母排与母排间距的影响，数据分析图如图 3.13：图 3.13 母排距离对相邻母排的影响由图 3-13 所示， 可以很直观的找到其中的规律， 如果母排与母排的间距越来越小，相邻的母排产生的磁场将会影响的越来越剧烈。根据第二章对于传感器工作方式的分析，可以通过传感器来测量流经母排的电流大小，但是如果在这种母排间剧烈磁场的影响下，磁传感器能否完成最基本的工作都是一件不能说的清的事情，换一句话说，就算磁传感器能测出电流大小，那么所测量的精度也是远远不能达到标准，中间势必会存在较大的误差。尽管能用数学模型将两个相邻的母排间的磁场影响消除，但是该设计的目标就是要把这种干扰源消除，这样也能为低压开关柜更好的引入先进的传感技术。据数据分析图所示，母排之间的距离达到 160 毫米的情况下，母排之间的磁场影响已经变得很小了。所以设计时应该适当增加母排与母排的距离。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究323.3.4 4.3.3 母排高度大小的影响母排高度大小的影响根据型号为 KYN28-10Kv 的开关设备中母排为参照物， 对与母排的高度对磁场的影响展开讨论。固定母排的横截面积及长度，只改变母排的高度，然后在母排中加载800A 大小的电流，最后运用软件仿真，探究磁场的情况。最终的仿真图如图 3.14 所示：图(a) 母排高度为 1.2m图(b) 母排高度为 1m上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究33图(c) 母排高度为 0.8m图(d) 母排高度为 0.6m图 3.14 不同高度母排仿真图由图 3.14 可以很明显的看出， 仿真的几种情况的母排上磁场最大值基本都为同一值。不同高度母排产生的磁场由仿真图可以看出分布比较均匀，这也意味着母排高一点低一点对于磁场影响不大，这也表明母排的高低不是改变地磁场分布的核心因素。3.3.5 5 本章小结本章小结在本章，首先对于电磁场研究方式进行了简单的介绍，简述了数值分析以及电磁场有限元分析的方式。另外对于麦克斯韦方程的运用处理计算也做了简要的介绍，着重讲述了低压开关柜中的母排单元在给定条件下运用棱边单元法进行研究分析。通过ANSYS 仿真软件对母排之间的可能有较大关系的参数进行磁场仿真，结合测试数据上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究34分析，最终得到结论，为母排三维仿真模型的建立起到了促进作用。4 4 低压开关柜母排室抗电磁干扰研究低压开关柜母排室抗电磁干扰研究4 4.1.1 电磁干扰的方式电磁干扰的方式单独对电磁干扰产生的方式进行分析，首先就电磁干扰的频带特性进行区分有窄带和宽带两种影响方式。其次根据其传播方式进行区分，有传导影响和辐射影响。对于传播影响而言，其输出特点有电磁耦合以及电耦合、磁耦合。对于辐射影响，其输出特点又由进场耦合和远场耦合两种组成。又因为人与人操作情况不同，磁场的影响又可以分为主观干扰和无意影响。综上所述，磁场影响又可以说成由自然影响和人为参与影响18。图 4.1 电磁干扰种类对于设计中所讲述的电磁干扰， 都是由产生磁场的干扰源、 高精度的设备磁探头、传输信号装置即传输通道(耦合方式)。如图 4.2 所示：图 4.2 电磁干扰路径根据上述讲到的产生通电产生磁场的干扰源具体指的是那些小的电子设备，当这上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究35些小型电子设备通入电流时，其本身就将形成磁场，这些元器件本身形成的电磁干扰将影响平稳运行。对于这些通电产生磁场的干扰源来说，在其内部主要表现在其结构组成方面，例如内部结构中的线路板通电将会产生电磁波对于设备主题造成影响；那么反过来说在其外部主要变现在自然影响以及人工参与，例如自然界的雷电天气、信号塔、高压电线等等。耦合路径具体指的什么，当通电设备产生电磁场是将会产生叠加影响，而设备检测数据会把测量的数据以及叠加的部分一起传输，最后会造成数据误差等其他影响。一般有传导耦合和辐射耦合两种形式，这里的辐射是指在设备周围空间中由于存在电荷或者其他大型通电设备产生的电磁波对本次所研究的设备造成的磁场叠加情况。对于这些种类的电磁干扰，很明显这些干扰是不利于这次所研究设备的正常工作的， 那么要尽可能的消除这电磁干扰。 对于上述谈到的产生电磁干扰的散的组成部分，选择三个中任意一个进行克制，那么就会有效的对电磁干扰进行克制，如果能对敏感设备的检测磁探头进行抗电磁干扰设计，也能达到相同的效果。4 4.2.2 低压开关柜相关电磁干扰低压开关柜相关电磁干扰低压开关柜如果工作在发电站、石油基地等恶劣的场景下，那么往往会被其他设备的电磁波干扰，对于现在的用户对于低压开关柜的要求慢慢变大，这也就要求低压开关柜更加智能化，更能接受各式各样的环境的考验。低压开关柜中的电流互感装置以及电流检测装置是最容易受到恶劣环境的电磁波的影响，如果这些叠加的磁场被检测装置传输到处理装置后，就会产生误差，反馈的数据也会被进一步处理，因测量结果不准确而发生不规范的操作，最终可能会有更深重的后果。通过文献及网络资料的查看，低压开关柜再设计之初，研究者就已经考虑到低压开关柜空间中的电磁波对其会造成影响，所以在这些研究者的研究下，低压开关柜的金属外壳是要进行相关技术处理的，例如低压开关柜的外壳选取材料是用铝芯板。本次研究目的主要是能有效的抑制电磁干扰，更方便的引入最先进的传感技术，使低压开关柜更加智能化。小型化，所以对于低压开关柜电磁干扰本文着重分析柜体内的情况。4 .1 柜体内部干扰源柜体内部干扰源总体上低压开关柜柜体内部受到的电磁干扰源主要有以下四个方面：上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究36（1）开关设备在接通电流的瞬间所产生的电磁影响。当低压开关柜中通入电流的一瞬间将会产生较大的磁场，但是由于开关设备起作用的时间比较短，内部磁场受到的是高频影响。（2）二次回路时产生的电磁波。在低压开关柜存放仪表设备的空间中，会发生二次回路现象，这个现象将会影响整个测量系统的稳定状态。（3）输入及输出电流的电缆产生的磁场影响。当低压开关柜接入输入电流时，可能会因为降压升流设备的影响造成电流质量不佳，当通入电流过大将会破坏这样的设备。（4）自然因素。主要是来源自然现象，例如地球本身的磁场的变换，雷电现象等。4 .2 柜体弱电系统受干扰分析柜体弱电系统受干扰分析在低压开关柜中，弱电系统主要受到下面三个方面的影响：（1）输入电源的影响。在低压开关柜内部的电流检测系统整体输入的是直流电源，但由于低压开关柜工作时会出现高频信号的影响，会导致测量系统的正常运行。（2）触感器的制造精度。传感器如果制造精度低会造成本身质量差，而且一般的传感器很容易受到电磁的干扰，在低压开关柜内部存在复杂的磁场环境，传感器的输出极其容易会产生误差，在低压开关柜系统工作的正常进行都是由于这些输出数据的直接影响。（3）通讯系统的影响。当在复杂的磁场环境下，传输的信号也容易受到干扰，将造成控制端与检测端无法正常通信。4 4.3.3 低压开关柜电磁抗干扰研究低压开关柜电磁抗干扰研究4 .1 监控系统屏蔽监控系统屏蔽屏蔽设计材料分析。低压开关柜中的监控系统在整个柜体中处于独立的空间，所以为减少电磁干扰的影响，对这一部分空间进行抗干扰设计。研究中可以设计合理的屏蔽箱进行抗干扰设计，具体到选材这部分。合理的选取抗磁场干扰性能好的材料，能有效起到作用。使用特殊材料制成的屏蔽箱基本原理是通过导磁材料减小磁场的影响。这种抗干扰的设计针对的是在低压开关柜中存在的高频磁场的影响。这样设计能有效的减少外面的高频电磁信号对监控系统的影响，电磁波的辐射传入也能起到一定上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究37的抑制作用。另外这样的屏蔽设计也可以将监控系统本身产生的电磁场控制在这个空间内，不会对外面长生影响。对于这个设计来说，要同时满足导电及磁的两种属性的材料对于金属是很困难的，所以对于低压开关柜具体所处运行环境受到影响的方式进行分别讨论。在低压开关柜的监测系统中，如果仪表设备受到强烈的电磁影响极有可能会造成显示数据不准确，所以本次设计要防止来自母排室的干扰，母排产生的磁场影响是很大的。在低压开关柜中通入的电流数值偏大，所以低压开关柜正常运转时，母排产生的电磁波会向空间内发散，基于此，监控系统和母排不在同一水平面上。对于低压开关柜中的低频电磁场的影响通过金属的反射特性来减弱这种影响，对于高频电磁场利用高导率金属来吸收来降低影响。屏蔽设计打孔分析。上述设计中是在理想条件下进行的，但是出于现实考虑，这种设计可定不能应用于现实工作中，设计的箱体可定不能完全封闭，必须要在设计中出现孔或者其他类型要求。所以，接下来要做的是合理设计孔结构尽可能减少电磁场的影响。在设计中不打孔的金属受到外面磁场的变化会在其表面形成感生电流，电流进而会产生磁场，但是形成的磁场方向与最初受到的磁场方向相反，由于磁场的叠加作用，最终会相互抵消。如果在设计中加入空的结构，在孔的位置处会受到很强烈的电磁干扰，进而电磁波传入到设计内部，导致设计出的效果大幅度降低。如图 4.3 所示：图 4.3 孔结构磁场影响孔结构会影响设计的功能，针对这一现象有下面几种方法进行改动：1在孔结构处加入导电衬垫。据上面分析由于在孔结构出形成感应电流，通过外加手段使其周围能产生，这就需要导电衬垫了。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究382制造工艺精细。在制造过程中对于孔结构设计研究中能更精细的制作，使孔或者板材结合位置更紧密。3对于通过孔结构的各种电线外包装以屏蔽材料，加强设计屏蔽的密集型，也能有效的抗电磁干扰。4 .2 母排室屏蔽母排室屏蔽通过研究及查阅资料，了解到母排中通入电流会产生强烈的磁场，为了母排产生的磁场不影响到其他元器件的工作，本次设计着重对母排室的屏蔽进行研究。目前对于电磁屏蔽的理论主要有下面几种：(1)涡流现象。当母排中通入电流时，会产生涡流现象，由于这种现象产生的磁场需要加以处理，通常需要外加磁场进行抵消。(2)电磁理论。电磁理论主要偏于计算，利用数学知识对边界条件进行计算，往往会因为计算错误带来不必要的麻烦。(3)数据线。总而言之，类似将电磁波通过相关材料反射慢慢降低磁场干扰的方法应用比较多，对于频率不高的磁场，用的是利用相关材料吸收磁场。表 4.1 为常用的磁场屏蔽材料：表 4.1 部分屏蔽材料参数材质相对导电率绝对导电率相对磁导率绝对磁导率银1.051.05601?铜(退火)15.710714107铝0.611黄铜0.261镍0.21磷青铜0.181铁0.171000上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究39表 4.1 部分屏蔽材料参数材质相对导电率绝对导电率相对磁导率绝对磁导率钢0.172000不锈钢0.011000高导磁合金0.0380000高导磁镍钢0.0680000坡莫合金0.0380000铍0.11铅0.081冷轧钢0.17180热轧硅钢0.0381500高导磁硅钢0.0680000铁镍合金0.023100000表 4.1 中，绝对磁导率t = ? ? t?，相对磁导率? = ? ? ?，t?，? 分别表示退火铜的相对导电率及相对磁导率。低压开关柜中母排上通入的电流大小决定了母排产生多大的磁场。对于母排室屏蔽分析中，主要有两个方向：一、母排摆放方式，二、屏蔽板具体位置。在相同条件下，将母排按“品”“一”形状摆放，如图 4.4 所示：图(a) “一”方案上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究40图(b) “品”方案图 4.4 两种方案根据图 4.4 所示， 设定参数如下： I=1000A;母排间距 b=12.5cm； 屏蔽材料厚 4mm。母排中三相电流设置为? ? = ? ? = ? = ?。将屏蔽材料安放在距离母排 10cm 处，测量不同方案，得到数据如图 4.5 所示:图 4.5 两种摆放方式磁场数据由图 4.5 所示，两种摆放情况大同小异，在两种情况中都是在中心处，磁场分布规律，未出现较大的波动。根据数据分析得到如下结论：当摆放方式为“品”时，在母排磁场最核心的地方，进而发现此处磁感应强度小。针对这一发现，本次将对屏蔽材料进一步研究，对于以下三种情况进行测量：1屏蔽材料与母排表面成 90 度角摆放，且材料在 Z 轴所在的面内。如图(a)所示。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究412屏蔽材料与母排表面成 0 度角摆放， 且材料在 Z 轴所在的面内。 如图(b)所示。3屏蔽材料放置在与最左侧母排对齐位置，且平行于 y 轴。如图(c)所示。图(a) 情况一图(b) 情况二图(c) 情况三图 4.6 三种情况示意图上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究42对于上述三种情况运用设计中用到的测量传感器进行检测，得到的数据如图 4.7所示：图 4.7 三种情况下磁场分布情况从图 4.7 中，能明显的发现，本次实验所用的屏蔽材料对于电磁干扰还是有效果的，从图中测量点 4 进行观察，发现情况三的磁场强度在三种情况中最小，情况一起到良好的屏蔽性能，情况三效果更差些。所以通过数据会发现，当屏蔽材料采用情况一的形式，将能起到母排磁场屏蔽的效果。4 4.4.4 本章小结本章小结本章首先对于电磁干扰的方式进行的简单的介绍，阐述了电磁干扰的来源以及种类。对于电磁干扰的理论储备应用到本次研究中低压开关柜的母排中，分析了在低压开关柜中最易受电磁干扰的部分，尤其是检测系统容易受到母排产生的磁场的干扰。针对检测系统和母排分别做了抗电磁分析，以及相应解决办法，从而能保证低压开关柜运转平稳。5 5 低压开关柜母排三维仿真模型低压开关柜母排三维仿真模型5 5.1.1 三维仿真模型三维仿真模型5 .1 建立电磁场中母排仿真模型建立电磁场中母排仿真模型本次研究设计的母排以型号 KYN28-10Kv 开关设备为参考，对于母排进行设计，建立三维模型。利用第三章的研究方式及结论，通过仿真软件 ANSYS 进行三维仿真上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究43建模，并进行磁场分析。在建立模型时考虑低压开关柜母排构造比较复杂，结合结构力学的知识，将低压开关的母排室进行简化建模。利用仿真软件建立的三维仿真模型如下：低压开关柜的母排有限元模形主要有三个组成结构，母排，母排与母排相间的部分，母排与母排室相间的空气。由于低压开关的电流频率为 50Hz，对于空间中存在的电荷产生的影响可以忽略不计。在仿真研究过程中，进行下面几种假设：(1)三个相位的电流相位差为 120 度(2)母排室内的空气分布规律，不含杂质；(3)其他元件产生磁效应忽略不计(4)谐波电流产生的效应忽略不计根据参照进行及上述所叙述的理论知识及结论， 将母排室的尺寸设定为,如图 5.1所示。把加载电流(定为 800A,对于母排的几何参数设定为。然后运用仿真软件ANSY(依据设定的几何参数，进行母排室及母排的三维仿真模型的建立。如图 5.2 所示。对于所见的模型，依据上述分析假设的分成三个母排即母排、母排室以及空气部分。图 5.1 母排室实物图图 5.2 母排室及母排三维仿真图上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究44选择使用 ANSYS 建模而不用其他机械软件建模的好处有两点， 首先利用 ANSYS仿真建模设计可以进一步进行磁场仿真，这个功能是机械三维图所不具备的。然后利用 ANSYS 软件建立的三维模型可以进行上述所讲的有限元分析，能更好的对于母排进行研究设计。5 .2 母排材料确定母排材料确定在低压开关柜中母排室中， 包含许许多多的材料， 而这些材料也具备不同的特性，对于设计的母排相关材料参数进行确定。具体参数如表 5.1 所示：表 5.1 设计材料属性表相关材料电阻率相对磁导率母排1.7110-81空气110201母排室1810-8500对于所选的材料也是依据上面得出的结论，以及上述提到的那种型号的开关柜，这也为本次的设计选材提供坚实的后盾。由于本设计是对母排的研究以及母排的设计，前面已经讲述了母排的电磁效应，打下了理论基础。5 .3 电流相关条件的确定电流相关条件的确定本次研究设计主要是对与母排进行研究，通过相关电磁及数学知识发现其中的创新点，并进行设计。由第三章阐述的电磁场的内容，本次将设计的三维仿真模型进行有限元分析，然后进行仿真。ANSYS 仿真时需要加载的条件有：选取自由度为 Az、边界条件为矢量磁位。对于三相母排的电流通入如下：)120sin(800)120sin(800)(s800tItItinICBA(5.1)本部分主要是对于母排中通入 800A 电流大小， 结合上面设定的参数进行 ANSYS仿真。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究455 .4 仿真结果总结仿真结果总结在仿真模型里面加入 800A 的电流时，那么可以看到如图 5.3 表示的磁场分布：图 5.3 800A 母排的磁场仿真这样可以通过上面 5.1 这个仿真图可以观察到， 在 C 相上的母排磁场分布很规范，在其周围的磁场分布不是很均匀，尤其是两边的磁场强度差距大，但是其中间部分还是相对好一点。把本次仿真的结果与现实实验结果结合分析，得到：表 5.2 仿真结果与实际数据比较实验次数计算数据(磁感应强度)测量数据(磁感应强度)150.744.9254.948.4354.35044239根据表 5.2 所示，本次可以很直观的看到母排磁场分布很不规律，这个现象尤其在母排左右两端表现最为明显，再次确认母排中间的电磁场分布很规律，这就意味着本次仿真的结果与实际相差不大。根据计算的数据与测量的数据相比较发现测量得到的数据明显小于计算的结果， 原因很简单磁通计的头部为高精度仪器， 对磁场很敏锐。上海工程技术大学毕业设计(论文)低压开关柜母排设计与研究46在实际测量母排磁场时，一个很重要的技术要求就是磁通计探头要与本次所测的磁场处于垂直状态，但是事实上由于人为误差以及母排室其他实物的影响，并不能百分百确定这个技术要求是否完全符合。但是实际测量的数据与所做的仿真的数据虽然有误差，但是这个误差不有超出整个要求的范围，而且实际数据能够反映母排室的磁场状态。5 5.2.2 低压开关柜母排室结构低压开关柜母排室结构根据第三、四章的磁场叙述中叙述知道在低压开关柜的母排室内，由于母排中通入电流导致母排产生磁场，在母排室内有很复杂的磁场分布。应用比较经典的电流互感器进行母排电流的检测，很明显已经跟不上时代的进步了，况且这种测量结构体积比较大，要占有大量母排室空间，所以本次研究设计希望引入先进的传感技术在低