冒如权郭 建方雄伟

（1.海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011 ；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

船舶主配电板主汇流排设计与分析

冒如权1郭 建2方雄伟2

（1.海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011 ；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

主配电板为船舶电力配电系统的重要组成部分，主汇流排作为主配电板的核心部分，关系到电力配电系统的安全可靠运行。文中阐述了船舶主配电板主汇流排的设计方法，主要包括船舶主配电板主汇流排规格选择，以及结合短路电流计算对汇流排进行的热稳定和动稳定校验分析，并给出相关校核计算公式；最后通过三根矩形铜排并联使用的主配电板设计实例介绍计算方法的具体应用。

主配电板；主汇流排；热稳定；动稳定

引 言

合理地选用主汇流排是设计船舶主配电板的一项重要工作。主配电板主汇流排通过工作电流或短路电流时会引起汇流排发热，且发生短路时，短路电流会在汇流排之间产生强大的电动力。故在设计主配电板主汇流排时必须保证汇流排所选用的导体材料及规格，使其在各种运行状态下温升不超过允许值，同时应确保短路电流所产生的电动力不会引起汇流排的变形和绝缘支承损坏［1］。

船舶配电板主汇流排的设计主要包括以下工作：

（1）根据负载电流选择汇流排，包括截面、规格及表面处理方式等；

（2）根据短路电流校验主汇流排的热稳定；

（3）根据短路电流校验主汇流排的动稳定。

1 汇流排的选择

汇流排导体截面的选择，是保证在汇流排各种运行状态下温升不超过允许值。

2012年CCS规范规定：“汇流排应由导电用电解铜或铜包覆的铝合金制成。汇流排的最大允许温升为45K。”［2］

汇流排截面的选择与汇流排的材料有关。本文汇流排的选择主要考虑采用导电用电解铜材料的矩形铜排。

汇流排的载流量，除了与其截面积有关以外，还与散热能力有关。散热能力随截面积的增大而减小，载流量不会随截面积正比增长。承载大电流的汇流排通常用2～3根并联使用，其载流量同样不会随并联根数正比增长。汇流排的载流量还与表面的处理有关。表面涂色漆能增加辐射系数，增加载流量。涂黑色漆辐射能力最强。表面涂漆一般可以提高载流量1.12～1.14倍。除了提高辐射能力外，还起到标识和防止腐蚀的作用。

根据矩形铜排的尺寸和并联的根数，有关资料提供了安全载流量的数据，作为选择的依据。选择时需要注意该数据的环境温度和温升。

环境温度是指舱室环境温度，而控制屏内的温度比舱室环境温度要高Δt，后门不封闭，一般Δt=5～10℃；后门封闭时Δt=15℃。选用汇流排所依据的环境温度是控制屏内的环境温度，应是45℃+Δt。考虑Δt为10℃或15℃时，最大允许温升则分别是35℃或30℃。需要引入温度校正系数，即

式中：It表示环境为t时的载流量，A；I表示环境为t0时的载流量，A；t为给出载流量的环境温度，℃；ta为长期允许最高温度，℃，一般取90℃；t0为实际环境温度，℃；k为温度校正系数。

表1是西门子公司提供汇流排载流量参考数据。最大短路电流是汇流排间距固定为70mm的数据。该公司的制作工艺是对汇流排的连接和出线采用侧面塔接的方法，主汇流排采用厚度为10mm的铜排。

表1 西门子公司的汇流排载流量参考数据

下页表2是从《船舶设计实用手册（电气部分）》［3］中摘录出部分铜排载流量数据，环境温度为45℃。表中的2并和3并数据是按照推荐的重叠系数得出。

下页表3是德国GL 2002规范推荐的铜汇流排的载流量。依据的环境温度为45℃，允许温升为45℃。

表1已考虑到控制屏内的环境温度，数据可以直接使用；表2、表3的数据需按控制屏内的实际环境温度进行修正。

表2 涂漆铜排的载流量(A)45℃

表3 GL 2002规范推荐的铜汇流排的载流量(A)45℃

主汇流排的规格选定后需要确定支撑件（排夹）的尺寸和布置，然后进行热稳定和动稳定的校验。进行热稳定和动稳定校验需要系统设计提供有关的短路电流计算数据。如果无法提供可以根据发电机的数据估算。

推荐以下估算方法：最大对称短路电流为可能参与并联运行的所有发电机的额定电流总和的10倍，加上同时运行电动机总额定电流的3倍；短路功率因数假设为cosφ = 0.1，非对称短路电流为对称短路电流的2.45倍；同时运行电动机一般用等效电动机来表示，等效电动机容量为长期并联运行发电机总容量的70%。

2 主汇流排热稳定校验

校验所选用的主汇流排截面S，是否大于或等于在短路时所允许的热稳定最小面积Smin。

热稳定校验应满足的条件为：

式中：S为所选择的主汇流排截面，mm2；QS为短路电流热效应，为最大对称短路电流，A； t为短路持续时间，s；kf为集肤效应系数［4］；C为热稳定系数，值可取表4所列的值［4］。

表4 不同工作温度下的C值

表5 汇流排的集肤效应系数kf值

3 主汇流排动稳定校验

动稳定校验要求在通过短路电流峰值（非对称短路电流）时，每跨汇流排中产生的最大应力计算值σmax不大于汇流排材料所允许的抗弯应力［σ］，即σmax≤［σ］ ，铜汇流排的［σ］=1 400 kg/cm2。

两根平行导体流过短路电流产生的相间电动力为：式中：F为短路电流产生的电动力，kg；Ip为短路峰值电流，kA；k为电流类别系数，交流三相短路时k=1.76［4］；kx为形状系数（0.95～1），取kx=1；l为支撑件跨距，cm；a为相间中心距，cm。

有两个以上跨距，电动力产生的弯曲力矩M为：

表6 矩形汇流排截面系数Wcm3

对于每相选用3片汇流排并联的，还应校验片间应力的影响。片间衬垫的跨距l1必须小于片间临界跨距lej。

根据《电力工程设计手册》［4］中提供的“矩形铜母线计算用数据”的有关数据见表7。

表7 矩形铜母线计算用数据

4 某型船配电板主汇流排设计示例

本例电站最大运行工况为4台发电机同时运行，长期并联运行发电机为3台，电站发电机额定电流为1 945 A。发电机提供的最大对称短路电流为：4×1 945×10 = 77.8（kA）。等效电动机的总容量为三台发电机并联运行容量的70%，3×1 945×0.7 = 4.08（kA），则等效电动机提供的短路电流为：3×4.08 = 12.24（kA）；最大对称短路电流为77.8+12.24 = 90.04（kA），最大非对称短路电流为2.45×90.04 = 221（kA）。

4.1 发电机导电铜排的选用

本例电站发电机额定电流为1 945 A（即最大持续工作电流Imax= 1 945 A），选用铜排的额定电流Ie应满足：Ie≥ Imax。考虑到该型船发电机主开关出线铜排宽度为80mm，选用的铜排宽度也应为80mm，初选80mm×10mm规格的铜排。

查看表1 -表3，单根80mm×10mm规格的铜排载流量都小于1 945 A，需要用2 （80mm×10mm），表中的载流量数据显示铜排均都能满足要求。其中表2和表3需要换算出温度修正后的数据。例如用表3中GL的数据，环境温度为45℃时，2（80mm×10mm）铜汇流排载流量为2 615 A，环境温度需要按55℃修正，即

修正后为I = It·k = 2 615×0.88 = 2 306（A），修正后的载流量也能满足要求。

4.2 主汇流排的选用

主汇流排一般是按发电机额定电流总和的80%选用［5-6］。本例主配电板对应的电站有3台发电机，选用的依据是：3×1 945×0.8 = 4 668（A）。系统设计选用的开关是4 000 A，因此主汇流排的额定电流按4 000 A选用。

在表1中，温升为35℃、涂色漆汇流排的载流量3（100mm×10mm）为3 945 A，略微不足；3（120mm×10mm）为4 526 A，裕度足够。

在表3中，涂有无光黑漆汇流排的载流量3（120mm×10mm）为5 290 A；修正后的载流量为I = It·k = 5 290×0.88 = 4 655（A）。

因此，选用3（120mm×10mm）且涂无光黑漆，能满足要求。

4.3 主汇流排热稳定校验

查阅表4和表5，主汇流排工作温度为90℃时，热稳定系数C为161，kf值为1.42，满足热稳定的最小截面Smin为：

所选主汇流排截面S = 3×120×10 = 3 600（mm2），由于S＞Smin，因此满足热稳定要求。

考虑到热稳定型式试验的持续时间为1 s，按1 s校验：

因此本例汇流排的截面选择也满足热稳定型式试验的要求。

4.4 主汇流排动稳定校验

（1）汇流排安装方式

汇流排相间中心距暂定11 cm，安装方式见图1。

图1 汇流排安装方式和尺寸

单根汇流排尺寸： h =12 cm，b =1 cm；汇流排安装尺寸：跨距l = 94 cm，相间中心距a =11 cm，条间距2b =2 cm。

（2）相间电动力

两根平行导体流过短路电流产生的电动力为：

有两个以上跨距，电动力产生的弯曲力矩M为：

由表6查得，汇流排三根并联、三相竖放的W = 3.33 hb2，则最大计算应力为：

σmax＞［σ］ ，因此动稳定性不满足要求。

反向校核，求出最大允许跨距lmax，即：

因此增加一档铜排夹，使跨距为470mm。同时因为选用3（120mm×10mm）汇流排，每相为3片并联，还应校验片间应力的影响。查阅表7，3（120mm×10mm）汇流排的片间临界跨距为：

式中：ich为短路冲击电流，即最大非对称短路电流，为221 kA。

片间衬垫的跨距l1必须小于片间临界跨距lej，为此需在铜排夹跨距为47 cm的中间，即23.5 cm处的片间加一块2 cm的衬垫。铜排夹的厚度为5 cm，实际片间衬垫的跨距l1为：l1= 23.5-1-2.5 = 20（cm）。此处：1为1/2衬垫，2.5为1/2母线夹的厚度。

片间作用应力为：

允许的相间应力：

检验相间最大允许跨距：

最终计算得到相间最大允许跨距为61 cm，大于原确定的47 cm，因此可以使用。

5 结 论

本文提出了船舶主配电板设计过程中主汇流排的选择、热稳定和动稳定校核方法，参照方法可较好的完成圆角矩形铜排的船舶主配电板设计工作，作为示例的某型船三片竖放主汇流排主配电板设计方案，目前已装船运行多年，运行情况良好。

［1］ 冒如权.舰船电力系统网络结构分析［J］.船舶，2013（2）：55-59.

［2］ 中国船级社.钢质海船入级规范2012［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［3］ 中国船舶工业总公司.船舶实用设计手册（电气分册）［M］.北京：国防工业出版社，1997.

［4］ 戈东方.电力工程电气设计手册［M］.北京：中国电力出版社，1991.

［5］ 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（7）：89-91.

［6］ 施亿生，谢绍惠.船舶电站［M］.北京：国防工业出版社，1981.

Design and analysis of bus-bar of marine main switchboard

MAO Ru-quan1GUO Jian2FANG Xiong-wei2
(1. Representative Offi ce of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The most important part of marine power distribution system is main switchboard, and its key part is main bus-bar, which aff ects safety and reliability of the power distribution system. This paper describes the design method of the main bus-bar of marine main switchboard, mainly including its selection and verification and analysis of its thermal and dynamic stability combined with calculation of short circuit current. It also proposes the relevant verification calculation equations and introduces the practical application of a case of design of main switchboard with three rectangular copper bus-bar installed in parallel.

main switchboard; bus-bar; thermal stability; dynamic stability

U665.1

A

1001-9855（2014）05-0074-06

2014-02-24；

2014-04-25

冒如权（1979-），男，工程师，研究方向：舰船电气专业设计质量监督。

郭 建（1982-），男，工程师，研究方向：舰船电力系统设计。

方雄伟（1977-），男，硕士，高级工程师，研究方向：舰船电力系统设计。