Расчет распределения тока по сечению шины с помощью 3D-модели в программе elcut Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Технические науки.

УДК 004.942; 52-17

Чишко С.Д.

Расчет распределения тока по сечению шины с помощью 3Б-модели в программе

ELCUT.

ООО "Тор"

(Россия, Санкт-Петербург)

Аннотация. Произведен расчет распределения тока по сечению медной прямоугольной полой шины с размерами 110 мм х 30 мм, изогнутой под прямым углом. При моделировании поставлена 3D-задача растекания постоянного тока в программном пакете ELCUT.

Ключевые слова: шина, задача растекания постоянного тока, 3D импорт, ELCUT

Calculation of current distribution over the busbar cross-section using a 3D-model in

program ELCUT

Abstract. Current distribution over the cross-section rectangular hollow copper busbar with dimensions 110 mm x 30 mm bended at right angle was conducted. The modeling is performed as a 3D-problem of direct current flow in ELCUT software.

Key words: busbar, direct current conduction problem, 3D import, ELCUT

Медные шины прямоугольного сечения [1] широко используются в электротехнике и электроэнергетике. Они применяются в качестве токопроводов для передачи и распределения электроэнергии, в конструкциях электрических аппаратов и различных электроустановках. Шинопроводы могут использоваться для распределения постоянного или переменного тока; могут быть открытого, защищенного или закрытого охлаждения; могут быть сплошными или полыми для интенсификации охлаждения.

На Рисунке 1 представлен пример шин разводки шин в электрическом устройстве.

Рисунок 1 - Пример разводки шин в электрическом шкафу

При проектировании шинопроводов могут возникать такие задачи как: расчет механических усилий на элементы конструкции, расчет теплового состояния в номинальных и анормальных режимах, расчет распределения тока по сечению шины, расчет магнитного поля шины и электромагнитное воздействие на соседние элементы. Для моделирования указанных задач при проектировании полезным инструментом являются программы на основе метода конечных элементов, в частности отечественная программа БЬСИТ. С ее помощью можно решить широчайший спектр исследовательских и инженерных задач в плоской постановке, а также некоторые задачи трехмерной постановки. Это позволяет ускорить проектирование и трассировку шин.

В качестве примера моделирования работы шины рассмотрим распределение тока по сечению шины, изогнутой под прямым углом. Такие перегибы необходимы для эффективного использования пространства электротехнического оборудования, однако, это вызывает локальное перераспределение плотности тока в месте сгиба. Такая задача является принципиально трехмерной, и она эффективно может быть решена в пакете БЬСИТ, поддерживающем функцию импорта 3Б модели.

Выберем полую прямоугольную шину [2] с размерами 110 мм х 30 мм. На Рисунке 2 указаны размеры модели, на Рисунке 3 показана 3Б модель данной шины, созданная по указанным размерам.

а)

б)

Рисунок 2 - Размеры исследуемой шины: а) поперечное сечение; б) вид сверху

исследуемого участка

Рисунок 3 - 3D модель участка сгиба полой шины

Предварительно, для ускорения расчета при незначительной потери точности модели, заменим скругления углов на поперечном сечении шины (Рисунок 2а) прямыми стыками. После этого сохраним 3D модель шины в формате STEP. Далее можем импортировать данную геометрию в пакет ELCUT для решения, как показано на Рисунке 4.

Рисунок 4 - Препроцессинг модели полой шины

После ряда простых операций по заданию свойств модели (электропроводность меди 56 МСм/м) и граничных условий (один торец является источником, в нем задается плотность тока 15 А/мм2; второй торец является стоком, и на нем задается условие нулевого потенциала) можно построить сетку конечных элементов для решения задачи.

После решения задачи можно узнать плотность тока в любой точке шины. Как видно на Рисунке 5, плотность тока увеличивается к внутреннему радиусу сгиба и уменьшается к внешнему, причем изменение плотности тока может достигать 30%. Также путем анализа полученного решения можно найти точное значение активного сопротивления данного участка шинопровода, которое в данном случае равно 1,98 мкОм.

Информация, полученная из данного анализа, может использоваться в дальнейшем для уточнения теплового состояния шины при выбранной системе охлаждения, либо же для выбора максимально допустимой плотности тока через шину по условию нагревостойкости. Эти задачи можно также решить в пакете ELCUT.

Рисунок 5 - Распределение плотности тока м месте сгиба шины

Список литературы:

1. ГОСТ 16774-2015 - Трубы медные прямоугольного и квадратного сечений. Технические условия.

2. ГОСТ 434-78 - Проволока прямоугольного сечения и шины медные для электротехнических целей. Технические условия

Сведения об авторе:

Сергей Давидович Чишко - инженер ООО "Тор" (Санкт-Петербург). Author:

Sergey D. Chishko - engineer LLC "Tor" (Saint-Petersburg).