就地化保护装置的结构强度设计_张元.pdf

doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.013就地化保护装置的结构强度设计张元，朱利娟(思源电气股份有限公司，上海 201108)摘要:根据就地化保护装置的安装环境和结构强度需求，提出分单元的结构设计方法，使用仿真软件对结构强度设计进行分析，并通过试验验证该装置达到结构强度需求，对于后续类似工况的装置设计有一定的参考价值。关键词:振动;固定;跌落;结构强度中图分类号:TM774文献标志码:B文章编号:1008-0198(2023)01-0079-05收稿日期:2022-07-26修回日期:2022-12-14Structural Strength Design of Outdoor InstallationProtection EquipmentZHANG Yuan，ZHU Lijuan(Siyuan Electric Co，Ltd，Shanghai 201108，China)Abstract:The paper proposes a structural design method of sub unit，uses simulation software to analyze thestructural strength design，and achieves the structural strength requirements through test verification，which hascertain reference value for the subsequent device design under similar working conditionsKey words:vibration;fix;drop;structural strength0引言随着智能变电站的推进，保护就地化越来越得到重视。保护就地化具有很多优势:简化二次回路，降低建设投资，方便运行维护1。就地化保护装置要求在户外使用，装置在安装时为了满足可以 1 人独立完成安装的需求，应满足一定程度的抗跌落要求2。相关规范要求线路、变压器保护装置跌落高度为 1 m，同时在机械性能上要满足GB/T 11287中严酷等级为 2 级的振动和 GB/T145371993 中严酷等级为 2 级的冲击和碰撞测试3。目前国内保护装置在此严苛工况下应用较少，没有设计案例可以直接应用。而就地化线路、变压器保护装置因规格不同，质量在 616 kg，结构强度测试对装置内的元器件固定及相互连接的可靠性考验非常大4。因此根据就地化保护装置的结构特点，开发解决结构强度测试的设计方案，通过仿真计算和内部试验验证满足结构强度需求是一项很重要的挑战。1就地化保护装置分单元设计就地化保护装置按功能分成若干个独立的单元，各单元间相互独立，强弱电隔离。主要的单元有 CPU 板、BIO 板、AC 板、电源板，如图 1 所示，每个单元之间用屏蔽罩隔开，相互之间保持独立，强弱电隔离，在跌落和电磁干扰工况下能保证各回路能正常工作。图 1就地化装置分单元设计97第 43 卷第 1 期湖南电力HUNAN ELECTIC POWE2023 年 2 月就地化装置将防跌落、抗振动、抗冲击碰撞、电磁干扰的结构设计一体化综合考虑，一个结构件可以发挥多方面作用5。装置壳体通过底壳和盖板的密封结构达到 IP67 防护等级需求，AC 板、电源板、CPU 板、BIO 板、舱插固定可靠，板卡和系统接地性能完好，板卡内关键元器件的散热性能符合要求。屏蔽罩通过各板卡的固定，起到对关键元器件的缓冲和外界电磁信号对板卡的电磁屏蔽等作用67。AC 板和电源板都含有关键敏感器件如互感器、电容等，在跌落试验中互感器、电容易从PCB 板上脱落，因此 AC 板和电源板的结构强度设计非常重要。AC 板和电源板通过计算获得的足够数量和合理布置位置的螺钉固定在盖板上，AC 板上根据关键敏感器件互感器的外形尺寸，设计对应的不锈钢屏蔽罩与 AC 板固定且紧密贴合，不锈钢屏蔽罩内附麦拉片起到绝缘和一定的缓冲作用，利用不锈钢屏蔽罩的刚性使互感器与 PCB 之间形成一个良好的刚性整体，以避免在 1 m 跌落过程中互感器的针脚受力过大脱离 AC 板焊盘8。AC 板的数据线连接器也采用固定压板的形式进行加强，避免在跌落过程中连接器松动，如图 2 所示。图 2AC 板的固定结构互感器结构上，选择信号多针出线的互感器，PCB 设计大焊盘焊接固定，且自带螺丝固定安装。针对装置采集关键容易受干扰的模拟量信号，采用从信号输入端到 ADC 采集端全过程的双线备份设计，PCB 走线采用双线传输内层走线，PCB 表层用地平面屏蔽，保证跌落试验的可靠，并减小电磁干扰的影响，板卡间传输的排线采用双线冗余传输，使信号采集回路在高低温和振动等恶劣工况下能可靠工作9。电源板上根据关键敏感器件变压器、电容等的外形尺寸，设计对应的不锈钢屏蔽罩与电源板固定且紧密贴合，避免悬臂结构，从而使电源板和屏蔽罩之间成为一个良好的刚性整体，以避免在 1 m 跌落过程中变压器和电容的针脚受力过大脱离电源板焊盘10。在多次试验验证后，发现变压器有脱落的风险，于是对关键敏感器件变压器底部涂环氧胶与板卡进行固定，如图 3 所示，以消除变压器、电容脱落的风险。图 3电源板的固定结构CPUAC 排线卡扣连接处也较薄弱，在跌落过程中存在脱落的风险，卡扣卡槽扣合强度较薄弱，应力集中在固定槽，易造成扣合齿断裂。因空间有限，没有合适的加强型连接器选用，故借用 CPU板上的 2 个固定孔用 1 个压条进行固定排线，采用结构固定的形式来加强，如图 4 所示，以消除卡扣断裂的风险1112。图 4连接器固定压板2抗跌落仿真分析以就地化变压器保护装置为例，需满足 1 m 高的抗跌落和 2 级的振动要求，而跌落的难度最大，因此以抗跌落来分析结构强度设计。就地化变压器保护 装 置 外 观 三 维 尺 寸 为 390 mm 260 mm 100 mm，质量约为 7 kg。AC 板和电源板作为就地化装置上对跌落最敏感的器件，抗跌落设计就显得尤为重要13。就地化装置的外壳由底壳和盖板组成，底壳和盖板之间通过一定数量的螺钉固定连接，底壳和盖板的内部表处理为阳极氧化，在相应08第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月的接触面上通过铣导电方式进行导通。跌落冲击属于冲击动力学范畴。冲击过程是骤然的、剧烈的能量释放、能量转换和能量传递，持续时间很短，冲击过程一次性完成，不呈现周期性。在冲击接触过程常常涉及三种非线性，即材料非线性、几何非线性和接触非线性14。对于跌落冲击问题求解算法，通常使用显式积分求解算法，计算原理如下。在总体坐标系下，跌落的运动方程可以表示为:Ma+C+Kd=Fex(1)式中，M 为结构的质量矩阵;C 为结构的阻尼矩阵;K 为结构的刚度矩阵;a 为加速度向量;v 为速度向量;d 为位移向量;Fex为包括冲击力在内的外力向量。若令 Fin=C+Kd，并设 Fre=FexFin，则跌落冲击方程可以写为:Ma=Fre(2)如果采用集中质量及质量矩阵变成对角矩阵，每个自由度的方程将是相互独立的，即:Miai=Frei(i=1，2，n)(3)用显式方法求解冲击运动方程，首先由上述方程直接求出:ai=Frei/Mi(4)然后对时间积分求得速度 vi，再积分一次就可获得位移 di，这里采用中心差分的显式格式进行时间积分。n+1/2=n1/2+an(tn+1/2+tn1/2)/2dn+1=dn+n+1/2tn+1/2tn+1/2=(tn+tn+1)/2(5)因此，在整个时域范围内，可由上述积分递推公式求得各个离散时间点处的位移、速度和加速度。显式积分不需要进行矩阵分解或求逆，无需求解联立方程组，也不存在收敛性问题，因此计算速度快，其稳定性准则能自动控制计算时间步长的大小，保证时间积分的进度1518。2.1计算模型装置内 PCB 分布如图 5 所示，将 PCB 上特征尺寸大于 10 mm 的器件保留，材料参数见表 1。图 5PCB 板分布表 1材料参数零部件材料弹性模量/GPa泊松比密度/(kgm3)壳体6063T568.90.332 700PCB 板F4200.282 500元器件80.391 560螺柱螺母不锈钢1930.317 930采用实体单元网格划分，总规模为 20 万节点，网格如图 6 所示。图 6网格模型本次分析分别考核将产品从装置的 A、B、C3 个方向进行跌落。加载设置:1 m 高度处自由落体后的速度为 4.43 m/s，将此速度加载在产品上;重力加速度为 9.806 m/s2。2.2计算判据PCB 板材料为 F4，取型式试验安全系数1.15，抗拉强度 320 MPa，许用应力 278 MPa。2.3冲击耐久试验计算结果2.3.1A 向跌落 PCB 板计算结果电源板、AC 板在 A 向跌落冲击下的应力时程曲线、最大主应力极值时刻应力分布见图 710，电源板、AC 板的最大主应力极值小于许用值278 MPa，均满足冲击机械强度要求。18第 43 卷第 1 期张元等:就地化保护装置的结构强度设计2023 年 2 月图 7A 向跌落电源板应力时程曲线图 8A 向跌落电源板最大主应力极值时刻应力分布图 9A 向跌落 AC 板应力时程曲线图 10A 向跌落 AC 板最大主应力极值时刻应力分布2.3.2B 向跌落 PCB 板计算结果经计算，电源板、AC 板的最大主应力极值小于许用值 278 MPa，均满足冲击机械强度要求。2.3.3C 向跌落 PCB 板计算结果经计算，电源板、AC 板的最大主应力极值小于许用值 278 MPa，均满足冲击机械强度要求。2.4仿真结论就地化保护装置 PCB 板跌落仿真计算结果见表2。PCB 板 材 料 参 数 为 F 4，抗 拉 强 度320 MPa，许用应力 278 MPa。表 2PCB 板计算结果1 m 高度跌落项目电源板AC 板A 向最大主应力极大值/MPa117128引脚反力极大值/N232512B 向最大主应力极大值/MPa8252引脚反力极大值/N4121 167C 向最大主应力极大值/MPa10368引脚反力极大值/N3041 0711)就地化变压器保护装置 A 向 1 m 高度跌落，电源板、AC 板引脚受力的极大值分别为232 N、512 N;B 向 1 m 高度跌落，电源板、AC板引脚受力的极大值分别为 412 N、1 167 N;C 向1 m 高度跌落，电源板、AC 板引脚受力的极大值分别为 304 N、1 071 N。2)就地化变压器保护装置从 1 m 高度跌落，PCB 板最大应力 128 MPa，小于许用值 278 MPa，满足 1 m 高度跌落工况下的强度要求1920。3跌落试验验证跌落试验选用变压器保护装置来进行，试验标准参 考 GB/T 2423.81995，试 验 分 为 25 cm、50 cm、100 cm 3 个高度进行，分别进行 3 个面、3条棱、1 个点后装置正常启动，加量、动作正常为试验通过。试验步骤中的 3 个面:指 logo 正面为 1 号面;右侧面为 2 号面;顶面为 3 号面。3 条棱:指 12棱，13 棱，23 棱(两两相邻面形成的棱)。1 个点:指 123 点(1、2、3 这 3 个平面形成的点)，如图 11 所示。25 cm 和 50 cm 高度时，装置正常启动，加量、动作正常为试验通过;100 cm 高度时，先进行 328第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月个面测试，分别进行 3 个面、3 条棱、1 个点后装置正常启动，加量、动作正常，试验通过。图 11装置跌落位置示意拆开装置上盖对内部进行检查，AC 板互感器、CPUAC 排线卡扣未发现有脱落现象，改进方案有效。4结语本文介绍了就地化装置分单元设计、电源板及互感器的固定设计方案，通过仿真和试验证明设计的装置具有良好的抗跌落、振动冲击和碰撞能力。基于安装环境和装置内部结构布置情况，找出关键敏感器件和对应安装固定结构，并针对性地分析了抗振强度。抗振强度分析是保证结构强度的关键，合理的结构强度设计可以使装置满足对应的结构强度要求，保证装置在特殊工况下能正常工作，同时节约装置生产成本。目前对于复杂工况下的保护装置结构强度设计才刚刚起步，未来保护装置在海外或特殊地区等复杂工况下应用时对结构强度要求会更高，在设计中更需要全面的考虑。参考文献 1 李岩军，艾淑云，王兴国，等 继电保护就地化及测试研究J 智能电网，2014，2(3):16-21 2 胡是亚，赵东辉，彭鑫林，等 电气屏柜高效就位装置的研制及工程应用 J 湖南电力，2017，37(S1):51-53，58 3 裘愉涛，王德林，胡晨，等 无防护安装就地化保护应用与实践J 电力系统保护与控制，2016，44(20):1-5 4 李岳云，张赛敏 某超超临界汽轮机安装难点分析及应对措施 J 湖南电力，2013，33(4):28-30 5 吴世伟 结构安全度与可靠度分析论文集 M 南京:河海大学出版社，1988 6 周志近 屏蔽机箱设计分析J 山西电子技术，2011(4):37-38，59 7 陈牧 电子设备机箱设计与电磁屏蔽J 电力系统通信，2001，22(4):46-47，49 8 裘愉涛，江伟建，李刚，等，白申义 就地化保护装置全天候安装箱体结构的关键技术研究J 工业控制计算机，2017，30(8):145-147 9 张琰佳，李强 某风冷机箱的优化设计与分析 J 电子机械工程，2017，33(3):29-35 10 程伶俐 某雷达接收机箱结构设计J 现代商贸工业，2013，25(13):185-186 11 唐敖，向华平 某机载雷达的热设计及仿真优化J 电子机械工程，2011，27(2):20-22 12 张辉 某机载雷达风冷机箱设计研究 D 南京:南京理工大学，2013 13 王健石，朱炳林 电子设备结构设计标准手册(第 3 版)M 北京:中国质检出版社，2011 14 王勖成 有限单元法 M 北京:清华大学出版社，2003 15 刘正兴，正劲松 随机有限元在结构可靠性分析中的应用 J 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