地铁牵引变电站整流器钢结构件涡流感应发热的温升计算

地铁牵引变电站整流器钢构件

涡流感应发热的温升计算杨冠豪北京整流器厂本文分析了引起地铁牵引变电站整流器钢构件涡流感应发热温升的因素，推出了计算大电流母排横越钢构件和固定螺栓上磁场强度的计算式；求出了两种负载条件下钢构件和螺栓的温升；提出了降低温升的措施。关键词磁场强度大电流母排磁场强度温升涡流感应发热温升变流器设计是涉及多学科的专业技术工作。一个完善的变流器产品，必需满足电气、机械性能各个方面的技术要求，为此要进行电气设计、结构设计、机械强度校核、电动力计算、热设计以及涡流感应发热的温升计算等工作。本文着重介绍地铁牵引变电站整流器（简称地铁电源）柜体钢构件涡流感应发热的温升计算。地铁电源柜内有2种载流量较大的母排，即交流侧输入母排和直流测输出母排。直流输出母排的电流为经过整流后的脉动直流电，其交流分量很小，当装置为六脉波整流时，其电压纹波系数为4.18%，当装置为十二脉波整流时，电压纹波系数仅为0.994%，因此直流输出母排的电流对钢构件的涡流感应效应小，由此引起的发热温升可忽略不计。交流侧输入母排则不同，频率为50Hz的交流电脉动大，母排载流量也较大，因此，在结构设计时，应对交流母排引起钢构件涡流感应发热进行温升计算，这一点对于以自冷方式工作的地铁电源尤为重要，因为这种装置内的电器元件、导体、母排的散热已受柜内空间的限制，若柜内钢构件因大电流母排引起感应发热将使柜内电器元件的散热更加困难，为此，必需将柜体钢构件因涡流感应发热引起的温升控制在一定范围之内。然而，在国标GB/T3859.1-93《半导体变流器基本要求的规定》有关温升试验条款以及表14中，“变流器各部位的极限温升”没有规定变流器结构或壳体覆板的温升。在ZBK36001-89《低压抽出式成套开关设备》和GB7251-87《低压成套开关设备》有关温升试验条款中，都规定了“可接触的外壳和覆板”“金属表面”的温升为30K，并又注明“除非另有规定，对可以接触但正常工作不需触及的外壳和覆板，允许其温升比表面的数据高10K”。参照上述标准有关温升规定的条款，对于自冷式地铁电源，其柜体结构（柜架、外壳、覆板）的温升定为不高于40K是适宜的。地铁电源技术条件整流器连接十二相整流冷却方式自然冷却TOC\o"1-5"\h\z额定电压750V额定电流3000A负载等级V1

100%额定输出电流150%额定输出电流300%额定输出电流室内温度连续2h100%额定输出电流150%额定输出电流300%额定输出电流室内温度连续2h1min<40°C三相交流母排规格10X100mm2；装置上的三相交流母排和钢构件的位置关系如图1和图2所示:三相交流母排间距b=100mm；三相交流母排横越钢构件的截面积S=5.37cm2；三相交流母排中心与钢构件形心距d=10.95cm。三相交流母排的电流有效值本装置为Y-A十二相整流，主电路为2个并联运行的三相全波硅整流电路（详见“地铁牵引变电站整流器的热设计”一文，刊于《机动车电传动》1995年第4期），交流侧电流有效值为：Im1=0.5X0.816Id1=0.5X0.816X3000=1224AIm2=0.5X0.816Id2=0.5X0.816X4500=1836A由于300%额定电流条件下只持续工作1min，此工况不予以考虑。大电流母排横越钢构件的磁场强度分布有关文献指出：大电流母排，特别是三相母排横越钢构件时，钢构件表面磁场强度Hx是平行于钢构件轴线X方向，且沿X方向变化的。正对母排导体处的磁场强度最大如图2所示。钢构件沿X方向在O、P、Q、M、N处5个位置存在磁场强度的3个峰值和2个谷值，分别为HO、Hp、Hq、Hm和Hn（图3对图1的螺栓进行了简化），在螺栓中部的磁场强度HS为最大值。三相交流母排横越钢构件因涡流感应发热引起的温升计算4.1钢构件轴线位置表面的磁场强度如图2所示，设百角坐标系X轴为钢构件的形心轴线方向，Y轴为沿三相母排截面长度方向，坐标原点O设在A相母排所对钢构件的形心上，则O点的磁场强度为三相母排各自在O点上的磁场强度的矢量和。即：H=H+H+H00A0B0C

在O点沿X方向的磁场强度矢量和为:H0X=H0AX+H0BX+H0CXA相母排在O点沿X方向磁场强度最大值为Hoax，Hoax可由积分求出:则dH=4oaxa2兀r设A相母排截面上一小段长度为打，小块面积电流为di，则di=Idy则dH=4oaxa2兀r•/r=y・•・dHOAXidy2兀ayHOAXy2idyIi=J=・•・dHOAXidy2兀ayHOAXy2idyIi=J=Iny2兀ay2兀ay12yi式中ayi=d-万=10.95-5=5.95cmay2=d+-=10.95+5=15.95cmI=Imi=1224A...日=旦q=19.21A/cmOAX2兀X105.95Ir=y2+b2・•・dH=—"一=IydyOBX2冗a(qy2+b2)22兀i(y2+b2)H=『y=—ln(y2+b2)y.=—ln()=9.37A/cmOBX4^a(y2+b2)4兀ay14兀x105.952+102yiC相母排在O点沿X方向磁场强度最大值为Hocx,H=y2——Iydy=^—ln(y2+4b2)“2=3.97A/cmOCX2兀a(y2+4b2)4兀ay1yi令A、B、C三相电流为I=IZ120o,I=IZ0。,I=IZ(-120o)AMBMCM则O点沿X方向磁场强度矢量和为：H0X=H0AX+H0BX+H0CX=Hoax(cos120+isin120)+Hobx(cos0+isir0。)+Hocx:(cos(-120)+isin(-120)]=-2.22+13.20iH=j(-2.22)2+(13.20：)2=13.39A/cm0X'考虑到三相母排位置的对称性，可得到：HpAx=HoBX=9.37A/cmHpBX=HOAXT9.21A/cmHpcx=HoBx=9.37A/cmP点沿X方向磁场强度矢量和为H=H+H+HPXpAXPBXPCX=Hax(cos120+isin120)+HpBX(cos0+isir0。)+HJ(cos(-120)+isin(-120)]PCX=9.84+0iHpx=9.84A/cm••_______H@=Ho=-2.22+13.20/HQx=13.39A/cm同理，以M为原点，可求:H==f―些—=-Lln(y2+b2)帼MAX2兀ar2)b24兀a4yyi,”4必(y2+4)1122415.952+52、=ln()=14.92A/cm4兀x105.952+52HMBX=HMAXT4.92A/cmH=f_^=f—_些=二ln(y2+竺2)|y2=5.94A/cmM2)y14Ka(y2+(3b)24必4y1H=H+H+HMXMAXMBXMCX=Hmax(cos120+isin120)+%BX(cos0+isir0。)+HMCX:(cos(-120)+isin(-120)]=4.49-7.78iH=\i4.492+(—7.78i)2=8.98A/cmMXH=HNXMXHNX=8.98A/cm同理可求出当Im2=1836A时，沿X方向各点磁场强度:HOX=20.08A/cmHPX=14.76A/cmHQX=20.08A/cmHMX=13.47A/cmHNX=13.47A/cmHX=16.37A/cm4.2钢构件轴线上某点磁场强度为H时，该点温升可用下式计算t=°,°°°72His'(1_0.668)a式中：a=O.OO14co/(cm2•k)钢构件表面换热系数5=0.00lg/[2(a+0.001g)]g=S/(O.5co)=2X5.37：35.8=0.3cmS为钢构件截面面积cm2,co为钢构件截面周长cm5=0.0882当1=1=1224AMlt=0.00072X13.391584-0.0014X(1-0.66X0.0882)=29.21°Cot=17.96°Cpt=29.21°CQt=15.54°CMt=15.54°CN钢构件平均温升：为：17=(T+T+T+T+T)4-5=21.49°C1OPQMN同理可求当1=1=1836A,M2t=55.46°Cot=34.07°Cpt=55.46°CQt=t=29.49°CMN钢构件平均温升：为：7=40.79°C22母排夹螺栓的温升计算5.1螺栓的磁场强度

三相母排被若干付母排夹固定在钢构件上，如图2所示。螺栓在三相交流电的作用下由于涡流发热引起温升，螺栓头部固定在钢构件上，位于钢构件M和N点附近，可以认为螺栓头部和M、N点磁场强度相同，温升为tm和TN。而螺栓中部R和S点磁力线密集，温升较高。当I=Im1=1224AB相在R点的磁场强度沿Y方向的大小为Hrby，可通过积分求出。dIdI=-dyadH=RBYdIdI=-dyadH=RBY2"RBYdH-ydyfdH」—E=-LLJydyRBY'b2兀a，b一；_;2兀a,y2+(-)2o;y2+(-)2H=0y2+(^)20.5「RBY2兀a】20j.TT，=2~--b(\'2-Y4)=40.35A/cm...R点在A、B相对称中心线上所以，HRAY=HRBY=40-35A/CmC相在R点的磁场强度沿Y方向的大小为：TOC\o"1-5"\h\zaa0.5a0H=f—E=1-Lydy=-L:y2+(也)2g-a2兀a：y2+(*)2Ka0：y2+(*)2”a、22I2\2I53=一-b(■-—-)=15.81A/cm2兀a\22气广Hra/Hr/Hrcy=Hray(cos120+isin120)+HRBY(cos0+isir0。)+0.5a0HRCY:(cos(-120)+isin(-120)]=12.27+21.25iH=.■12.272+(21.25,)2=24.54A/cmRY同理可求，当I=Im2=1836AHRY=36.81A/cm5.2螺栓中部的温升利用公式0.00072H1.58t=(1一0.668)以可求解螺栓温升TRg=S/(0.5^)式中8=0.001g/[2(a+0.001g)]g=S/(0.5^)当固定母排夹采用M8钢质螺栓，其外径d=8mm,其截面积S=n/4也，截面周长s=nd所以，g=d/2=4mm8=0.001X0.4^(2X0.0014X0.001X0.4)=0.111当I=Im1=1224AHry=24.54A/cmtr1=0.00072X24.541.58：0.0014X(1-0.66X0.111)=74.84°C当I=IM2=1836AHRY=36.81A/cmtr2=142.03C结论6.1钢构件的温升当负载为100%额定电流时，被三相母排横越的钢构件温升平均值为T1=21.49C，T1<40C,平均温升在允许范围之内。当负载为150%额定电流时，n=40.79C，略高于40C，在该负载条件下，整流散热器温度检测点温度高于75C，集中通风系统将自动投入运行，使整流柜内有s=1.125m/s的风速，对流换热系数a增至0.0021w/(cm2•k)，当F2=16.37A/cm时，E2=0.00072X16.371.58^0.0021X(1-0.66X0.0882)=26.75C<40C此时f2将大大低于允许温升。当负载为300%额定电流时，由于只持续1分钟，钢构件的瞬态热阻抗较大,温升缓慢，由此可以忽略不计，本装置设计符合温升要求。6.2螺栓的温升5.2的计算结果表明，位于大电流母排之间的钢制螺栓，其中部分温升较高，当负载为100%额定电流时,tri=74.84°C；当负载为150%额定电流时，tr2=142.03C。上述温升远远高于允许温升，即便集中通风系统运行后，该温升也不会降至低于允许温升。通常在200C以下，钢质螺栓的机械性能变化不大，而母排夹是采用工程塑料制成的，在较高温度烘烤下，会降低强度。解决螺栓温升只能采取改变螺栓材质的方式，用铜质或不锈钢制的螺栓，可彻底解决螺栓发热的问题。本装置母排夹螺栓以不锈钢为材质