Die Entwicklung einer leistungsfähigen Elektroinstallation erfordert eine flexible, effiziente und intelligente elektrische Energieverteilung. Die Sammelschienensysteme sind die wesentlichen Komponenten von Kraftwerken und definieren die Hauptverbindungsknoten für die Energieversorgung.
Sie werden üblicherweise zum Anschließen von Hochspannungsgeräten wie in elektrischen Schaltanlagen und Niederspannungsgeräten in Batteriebänken verwendet. Im Allgemeinen werden elektrische Verbindungen, die erhebliche Ströme zwischen Großgeräten in Umspannwerken und Industrieanlagen führen, aus Aluminium- oder Kupfersammelschienensystemen hergestellt. Derartige Steckverbinder sind normalerweise mit geraden starren Formen luftisoliert, um die Übertragung von Leistungsverlusten zu minimieren.
Der Aufbau von Sammelschienensystemen wird typischerweise ausgeführt, indem mehrere flache rechteckige Schienen in einer parallelen Anordnung für jede Phase zusammengefügt werden, um Wärmespannungen zu verringern und den Nahwirkungseffekt zu verbessern. Eine solche dreiphasige Konfiguration hat sich als die beste Lösung für die Stromversorgung von Gewerbe- und Industriegebäuden erwiesen.
Durch die fluchtende Anordnung von stromführenden Sammelschienen steigt deren Widerstand. Dies ist im Wesentlichen auf den Haut- und Nahbereichseffekt zwischen den Stromschienen zurückzuführen, wodurch deren thermische Beanspruchung direkt erhöht wird. Daher wird eine numerische Modellierung des thermischen und mechanischen Verhaltens eines dreiphasigen Sammelschienensystems mit dem EMS-Simulationstool untersucht. Das Wechselstrommagnetmodul wird in Verbindung mit der Strukturanalyse und der stationären thermischen Analyse verwendet. Das Modul dient zur Berechnung und Visualisierung der Temperatur- und Auslenkungsverteilung für jede Phase.
In dieser Analyse besteht das betrachtete Sammelschienensystem aus einer dreiphasigen Anordnung mit einem einzelnen Kupferleiter für jede Phase, die durch einen gleichen Isolationsabstand (D) voneinander getrennt ist. Die isometrische Ansicht und die Querschnittsansicht des Modells sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die Tabelle 1 definiert die Abmessungen jedes Leiters.
| Parameter | Abmessung (mm) |
| Breite ( W ) | 10 |
| Länge (L) | 120 |
| Dicke (T) | 1000 |
| Abstand der Isolation zwischen den Phasen (D) | 75 |
| Teil | Material | Dichte ( Kg/ | Magnetische Permeabilität | Elektrische Leitfähigkeit (S/m) | Wärmeleitfähigkeit (W/mK) | Spezifische Wärmekapazität (J/Kg.K) | Elastizitätsmodul (Pa) | Poisson-Verhältnis |
| Dirigent | Kupfer (Cu) | 8900 | 0,99 | 6 E + 07 | 385 | 390 | 110E + 9 | 0,37 |
1- Elektromagnetischer Eingang: Die Induktorspulen sind als Massivspulen definiert. Sie unterstützen einen maximalen Strombelastbarkeitsstrom von 1800 A eff bei einer Frequenz von 50 Hz für die untersuchte Sammelschiene mit einer Querschnittsabmessung (3/8 in x 5 in) gemäß [2].
2- Wärmezufuhr: Bei einer Umgebungstemperatur von 25 ° C und einem auf 6 W/m²C eingestellten Wärmeübergangskoeffizienten wird eine Wärmekonvektion auf den Luftkörper ausgeübt.
3- Strukturelle Randbedingungen: Feste Randbedingungen werden auf die Flächen angewendet, die den Eintritts-/Austrittsanregungsöffnungen entsprechen.
Das gesamte Modell wird innerhalb von EMS mit einem fein kontrollierten Netz, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, gleichmäßig vernetzt, um genauere Ergebnisse zu erzielen.
Die Multiphysics-Simulation ergab die folgenden Ergebnisse. Fig. 4 zeigt die Stromdichteverteilung über jeden Leiter für die Phase. Es erreicht einen maximalen Spitzenwert von 3,83E + 06 A/m² (Effektivwert 2,7E + 06 A/m²), was die Ergebnisse von Reference [3] bestätigt.
Eine unsymmetrische Stromverteilung ist bei den drei Leitern deutlich zu erkennen; Dies ist auf den Proximity-Effekt und die 120 ° -Dephasierung zurückzuführen.
Die erreichte Temperatur, die durch den induzierten Strom aus Nachbarschafts- und Hauteffekten mit Dephasierung erzeugt wird, ist in Abbildung 5 dargestellt. Sie erreicht einen Durchschnittswert von 330 K für jeden Leiter des Sammelschienensystems.
Ein Vergleich der Ergebnisse von EMS und Reference [3] hinsichtlich der Sammelschienenverluste zeigt eine gute Übereinstimmung für jeden einzelnen Leiter.
| Dirigent | EIN | B | C |
| Referenz [3] Verlustergebnisse (W) | 51,58 | 51,22 | 51,24 |
| Ergebnisse der EMS-Verluste (W) | 51,55 | 51,2 | 51,29 |
Die mechanische Verschiebung der Sammelschienenleiter, die durch thermische Beanspruchung erzeugt wird, wird auch unter Wechselstrombedingungen ausgewertet. Sie erreicht Maximalwerte innerhalb der Seitenflächen der Sammelschienenleiter. Die folgende Abbildung zeigt das resultierende Verschiebungsdiagramm über das Sammelschienensystem.
Das numerische Modell eines dreiphasigen Sammelschienensystems unter Verwendung von EMS-Software ermöglichte die Untersuchung seines thermischen und mechanischen Verhaltens im stationären Zustand. Eine solche Art der multiphysikalischen numerischen Simulation ist ein entscheidender Schritt für die Dimensionierungsphase; Dies ermöglicht die Vorhersage kritischer thermischer Beanspruchungen, die über Stromschienen hinweg auftreten.
Während der oben durchgeführten Simulation wurden Joule- und Eddy-Verluste unter Verwendung des Frequenzbereichsmoduls von EMS berechnet und auf den thermischen Löser übertragen, wo die resultierende Temperatur vorhergesagt wird. Die thermischen Ergebnisse wurden auch dem Strukturlöser zugeführt, in dem die thermische Belastung berechnet wird.
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