低壓開關(guān)柜母排設(shè)計與研究說明書

充值購買-下載設(shè)計文檔后，加Q1459919609或1969043202免費領(lǐng)取圖紙目 錄摘要1ABSTRACT21 緒論31.1 課題研究背景31.1.1 智能電網(wǎng)下的低壓開關(guān)柜31.1.2 低壓開關(guān)柜的種類及結(jié)構(gòu)31.2 低壓開關(guān)柜國內(nèi)外現(xiàn)狀41.2.1 低壓開關(guān)柜母排研究國內(nèi)外現(xiàn)狀41.2.2 本研究設(shè)計國內(nèi)外分析現(xiàn)狀51.2.3 母排抗電磁干擾研究近況61.3 研究意義及設(shè)計目標(biāo)61.3.1 研究意義61.3.2 設(shè)計目標(biāo)62 低壓開關(guān)柜母排大電流測量研究72.1電流測量方法72.1.1 經(jīng)典測量電流方法72.1.2 智能測量電流方法92.2 Giant Magneto Resistance原理基礎(chǔ)102.2.1 巨磁阻測量原理102.2.2 靜態(tài)磁場研究122.3 Giant Magneto Resistance 陣列研究142.3.1 Giant Magneto Resistance測量陣列拓撲142.3.2 矩陣數(shù)學(xué)模型152.4本章小結(jié)173 低壓開關(guān)柜磁場仿真與研究173.1 電磁場計算分析173.1.1 數(shù)值分析方法173.1.2 電磁場有限元法183.2 低壓開關(guān)柜母排室有限元處理203.2.1 母排電磁場方程203.2.2 電磁場方程棱邊元離散213.3 GMR傳感器測量位置的確定233.3.1GMR傳感器位置實驗233.3.2 磁場數(shù)據(jù)仿真263.3.3 數(shù)據(jù)線性分析273.4 母排設(shè)計數(shù)據(jù)分析293.4.1 工作電流大小產(chǎn)生的效應(yīng)293.4.2 母排與母排間距大小的影響303.4.3 母排高度大小的影響323.5 本章小結(jié)334 低壓開關(guān)柜母排室抗電磁干擾研究344.1 電磁干擾的方式344.2 低壓開關(guān)柜相關(guān)電磁干擾354.2.1 柜體內(nèi)部干擾源354.2.2 柜體弱電系統(tǒng)受干擾分析364.3 低壓開關(guān)柜電磁抗干擾研究364.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)屏蔽364.3.2 母排室屏蔽384.4 本章小結(jié)425 低壓開關(guān)柜母排三維仿真模型425.1 三維仿真模型425.1.1 建立電磁場中母排仿真模型425.1.2 母排材料確定445.1.3 電流相關(guān)條件的確定445.1.4 仿真結(jié)果總結(jié)455.2 低壓開關(guān)柜母排室結(jié)構(gòu)465.2.1 確定母排擺放方式475.2.2 確定母排選取規(guī)格495.3 本章小結(jié)506 全文總結(jié)與期望506.1 全文總結(jié)506.2研究展望51參考文獻52附錄544 充值購買-下載設(shè)計文檔后，加Q1459919609或1969043202免費領(lǐng)取圖紙摘 要處于“中國制造2025”大環(huán)境下，中華民族正加大力度促使祖國建設(shè)的進步，努力把國家建造成生產(chǎn)制造大國。在這個智能化時代，很多方面都需要電力的支持，低壓開關(guān)柜作為用戶和電網(wǎng)進行溝通的智能化設(shè)備，重要性不言而喻。這次研究設(shè)計能夠使低壓開關(guān)柜更加智能，更加小型化和更加低成本，能夠滿足及適應(yīng)現(xiàn)的新型電網(wǎng)發(fā)展要求。本文內(nèi)容如下：（1） 對母排的電磁干擾源和傳播方式進行分析，通過棱邊單元法分析計算母排通入電流不同時磁場強度大小，找到磁場隨母線在不同的電流、間距及高度的變化規(guī)律。使用Ansys仿真軟件進行母排室仿真設(shè)計以及分析，確定母排參數(shù)。（2） 利用GMR傳感器確定最佳測試位置為Y=10cm，X=20mm，GMR傳感器的線性工作區(qū)間為0-1000A，電流測量的相對誤差不超過0.50%等較滿意的測試結(jié)果，證明了該母排設(shè)計的穩(wěn)定和可靠性，滿足了智能電網(wǎng)的基本需求。關(guān)鍵詞:低壓開關(guān)柜，母排，電磁仿真DESIGN and RESEARCH on BUSBAR of LOW VOLTAGE SWITCHGEARABSTRACTUnder the environment of made in China 2025, the Chinese nation is stepping up its efforts to promote the progress of the construction of the motherland and to build the country into a big country of production and manufacture. In this intelligent era, many aspects need the power support, low-voltage switchgear as the intelligent equipment for communication between the user and the power grid, the importance is self-evident. This research and design can make the low-voltage switchgear more intelligent, smaller and lower cost, and can meet and adapt to the requirements of the new grid development. The contents of this article are as follows:(1) The electromagnetic interference sources and propagation modes of the bus row are analyzed and calculated by the edge element method. The variation rule of the magnetic field with different current, spacing and height of the bus line is found out. The simulation design and analysis of the master row chamber are carried out by using the Ansys simulation software, and the parameters of the bus row are determined.(b) The GMR sensor is used to determine the optimal test position is Y=10cm, X= 20mm, the linear operating range of the sensor is 0 1000A, the relative error of current measurement is not more than 0.50%, etc. The stability and reliability of the bus design are proved. Meet the basic needs of the smart grid.Key words: low voltage switch cabinet ,Busbar,Electromagnetic simulation66低壓開關(guān)柜母排設(shè)計與研究趙云鵬 0111151011 緒論1.1 課題研究背景1.1.1 智能電網(wǎng)下的低壓開關(guān)柜在我國國家建設(shè)不斷越走越遠、越來越進步的道路上，電能在這條路上飾演著尤其重要的內(nèi)容，而在我國電使用發(fā)展道路上，電能也是慢慢演變成創(chuàng)新性，環(huán)保型，經(jīng)濟型，可靠型的能源。電能是用于用戶和發(fā)電設(shè)備兩者之間的“貨幣”，由各種各樣的發(fā)電設(shè)備及不同的用戶交叉形成一個交叉的網(wǎng)絡(luò)。在如今信息化發(fā)展迅猛地時代，這種網(wǎng)絡(luò)在這種環(huán)境下發(fā)展的愈發(fā)智能化，也就是常說的現(xiàn)在的智能電網(wǎng)，也被叫做“電網(wǎng)2.0”，其主要組成由通信系統(tǒng)，最新的傳感和測量設(shè)備、高精度的設(shè)備、完善的控制程序等等，這些先進的科學(xué)文明產(chǎn)物使電網(wǎng)愈加智能化，所以現(xiàn)在國家的電網(wǎng)是正在走在智能化的路上。因為時代發(fā)展的腳步不會停滯不前，目前發(fā)展方向是要將這個時代最先進的內(nèi)容融入到電網(wǎng)中去，傳統(tǒng)技術(shù)與先進電力技術(shù)取長補短，加快電網(wǎng)智能化建設(shè)。在日益發(fā)展的智能電網(wǎng)的背景下，低壓開關(guān)柜也漸漸出現(xiàn)在公眾的視野當(dāng)中，低壓開關(guān)柜在電網(wǎng)智能化的發(fā)展中是必不可少的一環(huán)。目前，低壓開關(guān)柜已被廣泛應(yīng)用于我國眾多行業(yè)和領(lǐng)域中，而許多現(xiàn)代化企業(yè)也積極引進了各種先進的技術(shù)和設(shè)備。借鑒國外相關(guān)工作的經(jīng)驗，在厲害的設(shè)備支持下，我國低壓開關(guān)設(shè)備的質(zhì)量和生產(chǎn)效率都得到了增長1。但是低壓開關(guān)設(shè)備在使用過程中仍然還是存在很多難點，具有很大的安全隱患。所以低壓設(shè)備愈加智能化就顯得極其關(guān)鍵，國家也極大促進這類設(shè)備智能化的進步。本設(shè)計基于這樣的背景下引用目前的傳感測量技術(shù)對于母排設(shè)計及研究，使低壓開關(guān)變得更加智能化。1.1.2 低壓開關(guān)柜的種類及結(jié)構(gòu)低壓開關(guān)柜在我國市場上存在的種類多種多樣，其分類標(biāo)準(zhǔn)主要是斷路器安裝方式、隔離室構(gòu)造和絕緣介質(zhì)三個標(biāo)準(zhǔn)進行分類2。主要類型為以下三類：(1)斷路器的安裝規(guī)格。主要有固定式和手車式。固定式型號的大部分設(shè)備都是不能運動的，由于需要維修，所以這種不能運動的開關(guān)柜體都較大，但價格較低。手車形式的開關(guān)柜斷路器的安放方式采用手車，檢修時推出柜體即可，所以手車式開關(guān)柜體積較小3。(2)開關(guān)柜內(nèi)部隔離室設(shè)計結(jié)構(gòu)。使用多的大致有兩種，鎧式開關(guān)柜內(nèi)的所有器件全部用金屬外殼的隔離室進行分離，安全系數(shù)非常高。間隔式采用非金屬作為隔離室，結(jié)構(gòu)緊湊，但抗干擾能力差。(3)開關(guān)柜內(nèi)的絕緣材質(zhì)?？煞譃榭諝饨^緣和復(fù)合絕緣兩種絕緣形式。在安全方面，開關(guān)柜需要具備五防的能力。開關(guān)柜內(nèi)常用的器件主要有：通電裝置、導(dǎo)通及切斷裝置、數(shù)字儀表和減少雷電影響裝置等4。1.2 低壓開關(guān)柜國內(nèi)外現(xiàn)狀1.2.1 低壓開關(guān)柜母排研究國內(nèi)外現(xiàn)狀在國外，由于國外經(jīng)濟優(yōu)勢大于國內(nèi)，所以國外對于低壓開關(guān)柜研究起步早，領(lǐng)先國內(nèi)發(fā)展水平。目前國外低壓設(shè)備發(fā)展趨向與少人工參與、通信及時、智能化等方面，能保證電能余量，加大電能利用率，從而能收獲大幅度的經(jīng)濟效益。其次，國外主張?zhí)岣咴O(shè)備的精密程度，是低壓設(shè)備工作年限大幅度提高，出現(xiàn)事故降低到最小程度。除此之外還努力將低壓開關(guān)設(shè)備的柜體處理技術(shù)發(fā)展成更為先進的安裝技術(shù)，在柜體中加入人工智能功能。國外的企業(yè)主要以西門子為首對低壓開關(guān)設(shè)備進行大量的研究分析，每個企業(yè)對于低壓開關(guān)設(shè)備的研發(fā)以及制造均有各自的優(yōu)點，總體上的趨勢都是一樣的，都是希望低壓開關(guān)設(shè)備愈加小型化，效益多元化，技術(shù)先進化，都促使我國所研究的主體設(shè)備愈發(fā)智能化。(1)由于國內(nèi)技術(shù)水平嚴(yán)重不足，近年來雖然國內(nèi)低壓開關(guān)設(shè)備有一定的發(fā)展，但是相較于國外的技術(shù)水平還是相差很大一段距離的，常常要購買國外的低壓開關(guān)設(shè)備，也在借鑒模仿國外先進的內(nèi)容，具體有以下幾個方面：(2)高性價比元件的深入研發(fā)。投資大量資金學(xué)習(xí)國外企業(yè)的核心技術(shù)，將這些高性價比的元件應(yīng)用于低壓開關(guān)設(shè)備中，提高低壓開關(guān)設(shè)備的性能。(3)先進的安裝及加工方式。通過高精度額數(shù)控銑床的應(yīng)用，能使低壓開關(guān)設(shè)備柜體更加精確，完善的母排制造工藝和新材料的開發(fā)使用。(4)介質(zhì)不斷地創(chuàng)新。一代又一代性能完好的絕緣介質(zhì)的發(fā)展促使了低壓設(shè)備的一次又一次進步，而這些創(chuàng)新是低壓開關(guān)設(shè)備具備更強的適應(yīng)能力。國外對于低壓設(shè)備的研究起步明顯比我國早，現(xiàn)有的低壓設(shè)備先進程度也是位于世界前列。1.2.2 本研究設(shè)計國內(nèi)外分析現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代末，我國正式走出發(fā)展強國的路線，由于國家建設(shè)初期，由于環(huán)境艱苦，經(jīng)濟條件差但是人窮志不窮，我國開始自主對低壓開關(guān)設(shè)備進行設(shè)計。在此后20年里，我國不斷學(xué)習(xí)國外的先進技術(shù)及創(chuàng)新理念，儲備了大量的人才，經(jīng)過這么多年的不斷進步，經(jīng)濟形勢大幅度回升，我國對于低壓設(shè)備的創(chuàng)新能力以及創(chuàng)新理念也不斷增強，但是制造出來的三代產(chǎn)品均是體積巨大、功能簡單、性能不穩(wěn)定。進入新世紀(jì)后，我國與國外公司進行合作，低壓開關(guān)設(shè)備制造技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，我國對于低壓開關(guān)柜的生產(chǎn)制造的規(guī)模大幅度加強，而且生產(chǎn)出來的低壓設(shè)備自身帶有很高的技術(shù)指標(biāo)，功能也越來越多。進入21世紀(jì)，傳感技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，使低壓開關(guān)柜迎來了又一次進步，低壓開關(guān)設(shè)備也越來越智能化，模塊化。正是新技術(shù)的發(fā)展更新了舊的技術(shù)，低壓開關(guān)柜也慢慢向多元化發(fā)展，我國的低壓開關(guān)技術(shù)也慢慢追趕世界先進水平。就目前國內(nèi)對于這個行業(yè)與世界先進企業(yè)相比存在的不足之處表現(xiàn)在如下3點：（1） 低壓開關(guān)設(shè)備外殼尺寸。國外低壓開關(guān)設(shè)備大部分都比國內(nèi)設(shè)備尺寸小，對于低壓開關(guān)設(shè)備尺寸要求要遠遠小于我國，例如ABB企業(yè)方為了減小低壓開關(guān)設(shè)備整體體積，對滅弧室進行了開發(fā)與研究。（2） 智能化。低壓開關(guān)柜要做到通過顯示屏以數(shù)字形式實現(xiàn)用戶與機器的溝通，運用通信技術(shù)便于人工控制，以及自我保護等能力，但就目前國內(nèi)低壓開關(guān)設(shè)備水平，明顯未能達到相應(yīng)智能化的要求。（3） 工藝水平。在國外不僅是低壓開關(guān)管設(shè)備行業(yè)先進程度位列世界前茅，其他一些先進技術(shù)也處于世界級水準(zhǔn)。國外的生產(chǎn)工具比較先進，而且制造的手段非常高明。雖然我國也投資引進一批先進的加工設(shè)備，但是工人的技術(shù)水平遠比不上國外工人的技術(shù)水準(zhǔn)，造成我國低壓設(shè)備制造精度遠小于國外水準(zhǔn)。1.2.3 母排抗電磁干擾研究近況 在我國國家電網(wǎng)愈加智能化，也影響著國內(nèi)電力設(shè)備公司的進步。而這些公司也產(chǎn)生了極大地競爭力，也就是說現(xiàn)在的電力相關(guān)設(shè)備的技術(shù)性及智能化也逐漸提高，不僅能完成強電控制功能，還能得到電量參數(shù)、進行數(shù)字化處理、有自我保護能力等等。一旦電力設(shè)備出現(xiàn)故障不能及時維修，會造成很嚴(yán)重的安全事故，而這些電子設(shè)備需要一個合適的工作環(huán)境，才能更好的運行。低壓開關(guān)柜就目前為止工作于低電壓，高電流，復(fù)雜的磁場的惡劣環(huán)境中，如果其中環(huán)境不能加以改變，那么肯定影響檢測系統(tǒng)地穩(wěn)定，令其運行處理數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，造成嚴(yán)重的后果。那么，研究低壓設(shè)備電磁干擾源是電壓設(shè)備發(fā)展的必走之路。 目前，抗電磁干擾對于當(dāng)下自動化生產(chǎn)制造中必不可少的一環(huán)，而抗電磁干擾技術(shù)目前發(fā)展方向如下：（1） 將電磁學(xué)中的計算運用到電磁兼容的領(lǐng)域中，應(yīng)用比較多的方法有時域有限差分以及限元法等。（2） 對于電磁兼用中測量工具及測量方法的研究。（3） 基于傳輸線理論及電磁拓撲來進行復(fù)雜布線系統(tǒng)的電磁兼容預(yù)測5。 對于抗電磁干擾技術(shù)的研發(fā)，發(fā)達國家依然位在世界的首位。我國正式開始對于抗電磁干擾技術(shù)的研發(fā)時間要晚于國外，1980我國逐步確定了相關(guān)技術(shù)人才并制訂相關(guān)技術(shù)準(zhǔn)則, 當(dāng)下已確立了30+個國家級別細則6。我國目前經(jīng)濟形勢大好，致力成為生產(chǎn)制造強國，對于電磁兼容技術(shù)的發(fā)展抱有極大的信心。1.3 研究意義及設(shè)計目標(biāo)1.3.1 研究意義在我國制造業(yè)發(fā)展前景大好的狀況下，我國電網(wǎng)也愈加智能化，低壓開關(guān)柜在智能電網(wǎng)下也是至關(guān)重要。所以研究設(shè)計低壓開關(guān)柜對于智能化電網(wǎng)的進步具有重大意義。本設(shè)計從低壓設(shè)備內(nèi)部母排室研究分析，通過設(shè)計減小母排的占用空間，從而減小低壓設(shè)備的整體體積，另外引用先進的磁傳感器技術(shù)也符合低壓開關(guān)柜的智能化發(fā)展趨勢。1.3.2 設(shè)計目標(biāo)本設(shè)計結(jié)合實際，通過對于低壓開關(guān)柜母拍的研究設(shè)計后，具有如下功能和特點：（1） 采用傳感技術(shù)對于母排上電流進行測量。運用GMR傳感器來收集母排上電流大小的數(shù)據(jù)，而且運用傳感技術(shù)能有效的提高測量精度。（2） 母排室內(nèi)進行電磁場仿真分析。利用相關(guān)仿真軟件對于低壓開關(guān)柜中的電磁場進行仿真還原，設(shè)計合理的拓撲矩陣，有效地提高磁傳感器的工作狀態(tài)。（3） 設(shè)計母排的三維仿真模型。利用測量數(shù)據(jù)證明母排設(shè)計的合理性，找到最佳的母排擺放位置。（4） 抗電磁干擾研究。低壓開關(guān)柜工作環(huán)境中具有電磁干擾現(xiàn)象，不利于低壓開關(guān)柜的工作，所以從監(jiān)測系統(tǒng)、母排室方面進行探討，提出抑制電磁干擾方法，最大程度上保證低壓設(shè)備日常工作進行。2 低壓開關(guān)柜母排大電流測量研究2.1電流測量方法2.1.1 經(jīng)典測量電流方法(1) 運用霍爾相關(guān)設(shè)備對電流進行測量?；魻?Hall)的工作原理圖如圖2.1所示?；魻?Hall)在某一次實驗中，發(fā)現(xiàn)如果電流流過導(dǎo)體且垂直于磁場，將會產(chǎn)生電勢差，被人們稱作的霍爾效應(yīng)(Hall Effect)。這種電流產(chǎn)生的電勢差為霍爾電壓VH，在洛倫茲力存在的情況下，載流子會向?qū)w的一側(cè)偏移產(chǎn)生電勢差，進而演變成霍爾電場EH。若果電場逐漸增強，洛倫茲力fL和靜電力fE將會達到平衡狀態(tài)，如果保持電流不變的情況下即有霍爾電壓公式：VH =KH IB(2.1)圖 2.1霍爾工作原理圖由公式(2.1)，很明顯的發(fā)現(xiàn)磁場B與霍爾電動勢VH成線性關(guān)系。當(dāng)代科學(xué)家利用霍爾效應(yīng)制造了很多先進的設(shè)備，其中的傳感設(shè)備也就是眾人常說的霍爾傳感器8?；魻杺鞲衅鳟?dāng)下是全世界使用密集的傳感器，而且該種傳感器制造工藝簡單。但是霍爾傳感器大多由半導(dǎo)體構(gòu)成，根據(jù)半導(dǎo)體的特性，若果溫度過高那么會使半導(dǎo)體不工作，這也是霍爾傳感器最大的不足之處。(2) 運用電流互感器對電流進行測量。電流互感(Current Transformer，CT)的原理圖如圖2.2所示。在整個通電系統(tǒng)，往往把較大的電流(I 1 )變換為較小的電流(I 2 )，因此要求一次繞組(N 1 )線圈的匝數(shù)小于二次繞組(N 2 )的匝數(shù)?；ジ醒b置基本理論與升壓降壓的理論相差不多，當(dāng)電流通過線圈會產(chǎn)生變換的磁場，而這種變換將會引起線圈2并產(chǎn)生電流，從而方便監(jiān)測電流7。圖2.2 電流互感原理圖當(dāng)鐵質(zhì)材料左邊繞組通過電流I1時，左邊鐵質(zhì)材料上的磁通量為I1N1，由電磁學(xué)中的電磁感應(yīng)原理得知，在鐵芯右側(cè)繞組中會產(chǎn)生I2電流，通過電流表的讀數(shù)可以得到I2電流的大小，然后通過計算可以得到I1的電流大小。這種電流測量方法雖然測量結(jié)構(gòu)簡單，測量的電流量程大，但是這種方法已經(jīng)不能滿足用戶對低壓開關(guān)柜實時測量電流的需求。(3) 運用羅氏線圈對電流進行測量。羅氏線圈(Rogowski)的原理圖如圖2.3所示。其結(jié)構(gòu)是在一個非磁性的環(huán)形結(jié)構(gòu)上由導(dǎo)線均勻環(huán)繞而形成的空心線圈，本設(shè)計需要測量電流時只需要將被測電流的導(dǎo)線穿過線圈的中心即可。通過安培環(huán)路以及電磁感應(yīng)兩大定律，線圈在磁場的作用下，其兩端將會產(chǎn)生電勢差，此電動勢的大小與被測電流對時間的微分成正比。圖2.3 羅氏線圈工作原理如果線圈滿足線匝切面中每個位置的磁場大小相同，那么由于變化磁場的感應(yīng)電動勢e(t)為：e(t)=-Mdi1dt (2.2)在(2.2)式中M=0Nhdtlnab，0 =410-7H/m,其中N表示繞組匝數(shù)；0表示真空磁導(dǎo)率；H/m表示環(huán)形結(jié)構(gòu)高度；A/m表示環(huán)形結(jié)構(gòu)外徑大??；B/m表示環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)經(jīng)大??；i1A表示導(dǎo)線中的電流值。Rogowski 電流互感設(shè)備屬于電感測量中的一份子，測試規(guī)模大、精密度好、量程很大等很多突出特點9。但是其價格比較貴，多用于實驗室測量中，沒有大量普及使用。2.1.2 智能測量電流方法隨著時代的進步以及科學(xué)技術(shù)的不斷進展，對于電流的測量方法也漸漸變得越來越多，而磁傳感器測量電流的方式也脫穎而出。比較突出的帶有磁效應(yīng)傳感器(GMR)，各向異性傳感器(AMR)和隧道磁電阻傳感器(TMR)10。在這幾種傳感器里面，最引人注意的就是GMR傳感器。GMR基本理論是由格林貝格爾和菲爾在80s后提出的巨磁電阻效應(yīng)11。GMR應(yīng)用于很多場景中，例如測量速度、位移、控制的電力大小等場景中。GMR傳感器有著隨磁場的變化而對應(yīng)輸出值變化的功能，在檢測大電流的場景里有著不錯的發(fā)展前景。與別的磁傳感器相比較而言GMR占據(jù)很大優(yōu)勢，體積小，價格實惠，功率低，線性度好和以測量交直流等功能。下表2.1是電流檢測器件性能比較，根據(jù)對比結(jié)果顯示，GMR更適合這次母排中大電流的測試器件。表 2.1幾種測電流方式相關(guān)參數(shù)對比表評價指標(biāo)Hall傳感器羅氏線圈GMR價格低高低靈敏度低低高非線性度0.1%-1%0.05%0.001%-0.05%電流域10mA-35KA1mA-10KA耐壓度低壓(1Kv)超高壓超高壓不足之處溫度材質(zhì)敏感消耗金屬位置敏感2.2 Giant Magneto Resistance原理基礎(chǔ)2.2.1 巨磁阻測量原理在1988年，兩個法國及德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，用二流體的模型可以描述其基本原理，如下圖2.4所示：圖(a) 高電阻態(tài)在反磁鐵耦合的原理圖圖(b) 低阻態(tài)受外磁場影響下的原理圖圖2.4二流體模型圖在圖(a)中，能發(fā)現(xiàn)當(dāng)通過的電流自上而下流過時，由于磁場作用導(dǎo)致電阻率低。當(dāng)出現(xiàn)反耦合現(xiàn)象，通過的電流由下向上，導(dǎo)致電阻值變大。在圖(b)中，由于磁場的作用形成特殊狀態(tài)即高低阻通道，由于關(guān)系為并聯(lián)狀態(tài)，所以多層膜狀態(tài)為低阻態(tài)，也就是日常學(xué)習(xí)中說的巨磁阻效應(yīng)12。GMR屬于應(yīng)用巨磁效應(yīng)的一種傳感器，根據(jù)GMR本身的功能可以測出磁場的變化規(guī)律進而本次可以進一步得出電流的變化規(guī)律，這類傳感器的電路原理如圖2.5。GMR傳感器利用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，由供電電源VCC和GND，4個特殊材料電阻、一個輸出電壓端Vout構(gòu)造。電阻R1和R3由于有屏蔽材料的保護所以不受外磁場的影響，而電阻R2和R4沒有屏蔽材料的保護，因此會隨外磁場的變化而隨之改變。當(dāng)傳感設(shè)備處于外磁場影響下，因R2和R4會受到影響，所以阻值跟隨外磁場的變化而改變，從而整個電橋輸出電壓發(fā)生變化，變化的電壓值就代表整個外磁場的變化量，從而也代表整個電流的變化量13。圖2.5 GMR傳感器原理圖計算輸出電壓過程如下：R1，R2，R3，R4在電源VCC的作用下組成一個電橋，其電阻值分別為R。GMR磁敏方向與此時磁場方向保持一致，由上述得知外磁場變化那么R2和R4也會變化。設(shè)R2、R4的阻值變化量是R，則：V+=R+R2R+RVcc(2.3)V_=R2R+RVcc(2.4)由公式(2.3)、(2.4)求出電壓值為：V=V+-V_=R2R+RVcc(2.5)電阻R2、R4的變化量R遠小于R值大小，式(2.5)等價為：V=R2RVcc(2.6)如果用函數(shù)表達磁場強度B與電阻變化量的關(guān)系，則：B=RK (2.7)其中K為常數(shù)，將公式(2.7)帶入公式(2.6)得：V=KB2RVcc(2.8)上述為GMR基本理論及工作方式，接下來分析通電后的磁場效應(yīng)。2.2.2 靜態(tài)磁場研究對于靜態(tài)磁場研究分析，將用到畢奧薩伐爾理論(Biot-Savart-Law)。對于一根通電導(dǎo)線且導(dǎo)線線電流大小為I，在導(dǎo)線上任意截取一段長度為dl，那么這段導(dǎo)線的電流值為Idl，那么這段單元Idl對空間中隨便P處產(chǎn)生的電磁感應(yīng)強度為：dB=kIdlaRR2(2.9)式(2.9)中，k表示表示數(shù)系數(shù)；Idl表示線電流微元；aR表示線電流微元到P處的方向矢量；R表示線電流到P處的距離；dB表示線電流元對P處產(chǎn)生磁場強度，特斯拉(T)，等價于韋伯每平方米。計算線通電后磁場強度過程如下，計算原理如圖2.6：圖2.6線電流對某一點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度圖2.6中，設(shè)Q到點P的空間距離為R，R的表達式為：R=r-r(2.10)式(2.9)中的k的表達式為：k=04(2.11)式(2.11)中，0=410-7Hm表示為真空磁導(dǎo)率，那么可以得到：dB=0IdlR4R3(2.13)由數(shù)學(xué)中微積分定理可以算出P磁感應(yīng)強度為：B=04CIdlRR3(2.13)P點B的方向垂直于Idl和R組成的平面。本設(shè)計的研究涉及對象為低壓開關(guān)柜的母排，母排主體是垂直向下的長方體導(dǎo)線，下面這種方法也是測量母排磁場的一種參照方法。圖2.7垂直導(dǎo)線在空間磁場示意圖根據(jù)圖2.7，設(shè)通電導(dǎo)線AB垂直于xy平面，對于平面xy上任意P點的磁場量為：IdlR=Idzaza-zaz=Idza (2.14)式(2.14)帶入公式(2.13)得到：B=0I4abdz2+b22a(2.15)如果通電設(shè)備無限長，則a=-，b=+，則對應(yīng)的空間內(nèi)，任意點磁場強度大小為：B=0I2a(2.16)上述為空間內(nèi)通電直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場的基本原理，本設(shè)計依據(jù)此原理來作為參照計算低壓開關(guān)柜母排磁場分布。2.3 Giant Magneto Resistance 陣列研究2.3.1 Giant Magneto Resistance測量陣列拓撲空間平均值以及傅立葉變換陣列是應(yīng)用GMR傳感器測量電磁場的兩種方法，空間平均值法理論如圖2.8?？臻g平均值法的原理是在被測物周圍放置N枚(N根據(jù)物體的形狀而定，N2)傳感器，對得到的實際結(jié)果取平均值作為結(jié)論性數(shù)據(jù)14。空間平均值法不能很好地應(yīng)用于本次母排設(shè)計，所以選用傅立葉變換陣列。圖2.8 空間平均值法示意圖目前的低壓開關(guān)柜中的母線一般有金屬銅制成，其擺放位置和尺寸如圖2.9所示，單個母排寬設(shè)為W，母排厚設(shè)為D，母排與母排的距離設(shè)為L。如果如圖所示在A、B、C三個母排前都安放一個GMR測量設(shè)備，設(shè)GMR距離母排面的距離為Y，距離母排邊緣的距離為X，那么根據(jù)X Y兩個參數(shù)確定GMR傳感器引用的最優(yōu)距離。以實物KYN-28型號開關(guān)柜中母排的尺寸作為參考，測量出：W=80mm，L=200mm。圖2.9 母排擺放示意圖2.3.2 矩陣數(shù)學(xué)模型線性度及同頻同相性的問題可以通過建立數(shù)學(xué)模型分析。設(shè)三個ABC母排中通電數(shù)值分別為三相電Ia,Ib,Ic，那么對應(yīng)的每個母排自身的磁感應(yīng)強度分別為Ba,Bb,Bc。設(shè)計關(guān)于母排及檢測設(shè)備的空間直角坐標(biāo)系，那么為檢測設(shè)備的位置坐標(biāo)為PA(XA,Y),PB(XB,Y),PC(XC,Y)，如果設(shè)檢測設(shè)備在這三個位置的電壓分別為Va,Vb,Vc，運用傅立葉級數(shù)對I,B,V分析，得到如下結(jié)論：Iat=2k=0+Ca,kcos(kIt+I,a,k) DFTk=0+Ia,kejIktejI,a,k=k=0+Ia,kejIktIbt=2k=0+Cb,kcos(kIt+I,b,k) DFTk=0+Ib,kejIktejI,b,k=k=0+Ib,kejIktIct=2k=0+Cc,kcos(kIt+I,c,k) DFTk=0+Ic,kejIktejI,c,k=k=0+Ic,kejIkt(2.17)式(2.17)中，Ia,k=Ia,kejI,a,k；Ib,k=Ib,kejI,b,k；Ic,k=Ic,kejI,c,k，I,k表示為電流諧波幅值，X,k表示為母排X中電流相位，t=kt，t為DFT的采樣頻率。同理可得：Ba(t)DFTk=0+Ba,kejBkt=k=0+Ba,kejBktejB,a,kBb(t)DFTk=0+Bb,kejBkt=k=0+Bb,kejBktejB,b,kBc(t)DFTk=0+Bc,kejBkt=k=0+Bc,kejBktejB,c,k(2.18)Va(t)DFTk=0+Va,kejVkt=k=0+Va,kejVktejV,a,kVb(t)DFTk=0+Vb,kejVkt=k=0+Vb,kejVktejV,b,kVc(t)DFTk=0+Vc,kejVkt=k=0+Vc,kejVktejV,c,k(2.19)由上述可知，排除低壓開關(guān)中的其他因素的影響，流經(jīng)排的大電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場在空間線性和同頻線性上相符合。對于同相性分析。設(shè)空間某個位置，設(shè)該位置附近磁場大小是各相電流產(chǎn)生的磁場在該位置的矢量和，那么此點的感應(yīng)系數(shù)設(shè)為kB(x,y,)，那么可以得到下面的公式：B(x,y)=A,B,Ck=0+B,k=A,B,CkB(x,y,)k=0+I,k(2.20)在220V的電壓下，流經(jīng)三相母排的電流頻率為50Hz,因此對于產(chǎn)生的電磁感應(yīng)的相位延遲可以忽略不計，那么對于磁傳感器GMR的相位延遲可以忽略不計。據(jù)上述分析可知道，對于同相性也是能滿足的。由電磁學(xué)知識，知道變化的電能產(chǎn)生磁，若果我們設(shè)磁感應(yīng)強度B與電流I成一次線性關(guān)系，那么有：B,k=kB(P,k)I,k(2.21)對于點P()的感生磁場強度為：B=K=0N=A,B,CB,K=K=0N=A,B,CKBP,KI,K(2.22)由于傳感器GMR中電壓值與磁感應(yīng)強度存在函數(shù)關(guān)系，若果設(shè)敏感系數(shù)為kc，GMR傳感器的參數(shù)則決定敏感系數(shù)的大小，因此可以得到GMR電勢差值和磁場強度B的表達式為：V=KcB=KcK=0N=0KCKBP,KI,K=K=0N=A,B,CCm,nkI,k.N50(2.23)式(2.23)中，Cm,nk=V(,k)I,k=kCkB(P,k)代表為感應(yīng)系數(shù)，其含義是相母排的電流k次諧波在P點的設(shè)備輸出比系數(shù)15。設(shè)備在三個位置輸出電勢差值得矩陣形式為：VAkVBkVCk=C1,1kC1,2kC1,3kC2,1kC2,2kC2,3kC3,1kC3,2kC3,3kIAkIBkICk(2.24)式(2.24)中矩陣C表示為流經(jīng)母排的電流I與傳感器顯示的電壓值V之間的系數(shù)，以簡化計算為目的，公式(2.24)可以將實部和虛部兩部分分開來表達：VrekVimk=Crek-CimkCimkCrekIrekIimk(2.25)運用DFT技術(shù)對傳感器反應(yīng)的參數(shù)進行處理，我們可以獲得向量VrekVimk，若渦流效應(yīng)集膚效應(yīng)的影響可以忽略，由于頻率相同以及在電網(wǎng)諧波影響小的狀態(tài)下，我們可以使公式(2.25)簡化：VAkVBkVCk=C1,1C1,2C1,3C2,1C2,2C2,3C3,1C3,2C3,3IAIBIC (2.26)2.4本章小結(jié)在本章，舉例并分析了幾種大電流的測量方法并進行對比，最終篩選出巨磁阻傳感器GMR作為這次設(shè)計研究的工具。另外，對于GMR的工作原理以及測量拓撲結(jié)構(gòu)進行闡述，利用傅立葉變換陣列建立了數(shù)學(xué)模型。利用此數(shù)學(xué)模型分析了線性度以及頻率是否相同進行論證，最終得到了傅立葉函數(shù)的數(shù)學(xué)公式，并為后續(xù)仿真設(shè)計提供理論依據(jù)。3 低壓開關(guān)柜磁場仿真與研究3.1 電磁場計算分析3.1.1 數(shù)值分析方法了解設(shè)計研究實際所做內(nèi)容，然后才能用到電磁場的數(shù)值分析手段。而數(shù)值分析主要適用于滿足實際要求的數(shù)學(xué)模形，然后利用數(shù)值分析的方法進行計算，分別進行數(shù)學(xué)離散處理，將接連的數(shù)學(xué)模形進行改變，改變成一段一段的數(shù)學(xué)模子，最后將一段一段的數(shù)學(xué)模形進行計算求解。通過得到的數(shù)據(jù)即離散的解，然后進行后面的處理分析，基于此將能對所求區(qū)域內(nèi)每個點的磁場強度、分布以及能量消耗等參數(shù)進行計算，為設(shè)計需要的內(nèi)容提供數(shù)據(jù)支持。使用最廣泛的電磁場的分析法大多數(shù)都是以Maxwell微積分為根基的有限元差分、有限元、積分方程等途徑，模擬電荷的手段等等，還有將上述方式的特色之處聯(lián)合起來應(yīng)用的方式。通過對磁場的研究，麥克斯韋方程組在母排研究設(shè)計過程有著至關(guān)重要的作用。關(guān)于電磁場的性質(zhì)、運動規(guī)律以及電磁場變化規(guī)律的確定，都是被這個方程組所決定。上面所說的方程組是關(guān)于一些關(guān)系密切的電荷、電流、磁場、電場的方程組，所有磁場內(nèi)的實物都要滿足麥克斯韋方程組。H=J+DtE=-BtB=0D=(3.1)式(3.1)中，H表示為磁場強度，單位(A/m)；J表示為電流的密度，單位(A/m2)；E表示為磁場強度，單位(T)；D表示電位移,單位為(C/m)；表示電荷密度，單位(C/m3)。在(3-1)方程組中，全電流定律由式(1)表示，也是麥克斯韋第一定律的體現(xiàn)，表達了電場的變化將會產(chǎn)生磁場，也就是眾人常說的電生磁，而電磁波形成的前提條件就是式(1)。電磁感應(yīng)定理由式(2)表示，表達了通過磁場的變換可以產(chǎn)生電，就是常說的磁生電。表現(xiàn)磁通量連續(xù)的方程為式(3)，闡述磁場中的磁力線每一條都是首尾相連接的曲線。高斯定理由式(4)表示，表達了電場的產(chǎn)生是通過電荷的發(fā)散進行的。若計算并求解三維空間上的電磁場，那么會用到有限元方法求解，大致有三種方法。首先是磁矢量法，主要用于所求解的范圍內(nèi)不能含有鐵磁的材料，應(yīng)用有三維靜態(tài)分析、交流分析、瞬態(tài)分析。其次是磁標(biāo)量法，其基本原理是把電源為基本單元然后特殊處理，不用獨自為其設(shè)計模型以及網(wǎng)格的分布，這樣很容易建立模型，此方法應(yīng)用最多的是三維靜磁場的分析。最后就是應(yīng)用最多的也是最新的電磁場分析方法棱邊單元法，不僅在靜態(tài)、瞬態(tài)電磁場中使用，而且對于研究設(shè)計要求解的范圍下也可以包含鐵磁相關(guān)材料分析。3.1.2 電磁場有限元法(1) 電磁場中有限元的大致內(nèi)容在電磁場存在的情況下，運用有限元處理的步驟中主要是把設(shè)計研究所求的區(qū)域分成離散的區(qū)域單位，然后利用節(jié)點結(jié)合具體的函數(shù)插值能求出區(qū)域單元的所求量。在節(jié)點上利用對應(yīng)的平衡關(guān)系以及能量關(guān)系建立方程式，把每個單元節(jié)點的方程式結(jié)合成方程組，加入邊界條件進行求解，進而把這類連續(xù)函數(shù)問題改變成離散型的數(shù)學(xué)問題。在實際運用中，如果運用有限元的方法，就要按著這種思路先要將連續(xù)的場進行離散處理，形成有限的個體，三維場電磁場的形狀大致有長方體、正方體等等，二位電磁場的大致形狀主要有三角形、四邊形等等。(2) 運用有限元計算的步驟運用離散法進行離散由上述可知，如果計算連續(xù)的函數(shù)模型首先要進行離散化處理，將要計算的連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)換成許多獨立的單元，這是研究設(shè)計要做的第一步。在空間中，基于此可以了解到有二維電磁場也有三維電磁場，而且這些磁場的形狀也各式各樣，所以如果一個數(shù)學(xué)模型要進行離散那么會造成離散處理后的個體形狀不一?；谶@個原因，當(dāng)在處理電磁場數(shù)學(xué)模型的時候，要根據(jù)現(xiàn)實所需要的進行單元的劃分，這要才能有利于本文接下來的有限元處理。篩選變量模型出于對后面的計算精度考慮，所以需要慎重的選取電磁場的數(shù)學(xué)模型。另外，在選取過程中，還要考慮一件事就是選取結(jié)果能便于后面的計算，提高效率。研究可以利用多項式計算簡單、便于處理的性質(zhì)，將其應(yīng)用于后面的篩選結(jié)果中，即離散多少單元節(jié)點那么就會有多少多項式。單元特點研究對于設(shè)計所要研究的每個單元，進行研究分析，充分了解后可以在各個單元的節(jié)點上列方程。根據(jù)步驟建立方程組把涉及的分散出來的個體單元結(jié)合起來就是本設(shè)計要分析的問題，所以就需要將步驟的方程式結(jié)合起來建立方程組，得到求解矩陣。對于方程組進行數(shù)學(xué)計算求解3.2 低壓開關(guān)柜母排室有限元處理3.2.1 母排電磁場方程圖3.1母排計算區(qū)域低壓開關(guān)柜中，流經(jīng)母排的電流頻率為工頻50Hz，由于第二章建立的數(shù)學(xué)模型對于同頻性分析可知，磁場變化的速度比較小，而且電磁波的尺寸又大于母排的尺寸，所以位移電流設(shè)計可以忽略不考慮?；诖丝梢粤宣溈怂鬼f方程：H=JE=-BtB=0(3.2)接下來在本文中設(shè)矢量磁位為A，標(biāo)量電位為，根據(jù)這兩個參數(shù)以及電磁學(xué)的相關(guān)知識，能得到B=A,E=-。在電流頻率50Hz的情況下，有：1A=-jA V1+V2+V3=0 V0(3.3)由圖3.1所示，建立內(nèi)部邊界條件以及外部邊界條件。用1，2，3表示內(nèi)部邊界參數(shù)，用0表示外部邊界參數(shù)，如果假設(shè)參數(shù)=，=0，下面分別對內(nèi)外邊界討論。（1） 內(nèi)邊界條件分析在1，2，3三個交界面上結(jié)合電磁學(xué)中的磁通量密度性質(zhì)，得到：Bi-n=B+n(3.4)將B=A帶入(3.4)中，得到：Ai-n=+n j=1,2,3(3.5)磁場強度不僅在法向量上是連續(xù)的而且切向量也是連續(xù)的，據(jù)此得到：1Ai-n=+n(3.6)（2） 外邊界條件分析在低壓開關(guān)柜母排室內(nèi)，本文假設(shè)的外邊界是沒有電流通過的，磁感線只垂直于0，那么有：nB00=0(3.7)上述為母排的電磁場方程。3.2.2 電磁場方程棱邊元離散對于上述電磁場方程運用棱邊有限元方法進行處理，所求矢量在各自的棱運用積分能求將需要的結(jié)果，即自由度。利用空間中正方體極度高的特性，本設(shè)計選取正方體做離散處理。如圖3.2：圖 3.2正方體節(jié)點單元根據(jù)圖3.2，我們可以局部坐標(biāo)系進行分析，如果直接在整個空間直角坐標(biāo)系對整體應(yīng)用函數(shù)關(guān)系，是一件非常困難的事情。在這種正方體單元中，在計算中可以列出其節(jié)點的函數(shù)關(guān)系： N1=1-u1-v1-p; N2=u(1-v)(1-p) N3=uv1-p; N4=v1-1-p; N5=1-u1-vp; N6=u1-vpN7=uvp; N8=1-uvp(3.8)式(3.8)中，0u,v,p1查表得到正方體單元函數(shù)關(guān)系：W1=1-v1-pu; W2=v1-puW3=1-vpu; W4=vpuW5=1-u1-vp; W6=u1-uvpW7=uvp; W8=(1-u)(1-p)vW9=1-v1-p; W10=(1-u)(1-p)uW11=upv; W12=1-upv(3.9)將正方體單元轉(zhuǎn)化成局部坐標(biāo)系，我們可以列出雅可比矩陣如下：J1=vuvvvp=xuxvxpyuyvypzuzvzp ; J2=uvpT=uxvxpxuyvypyuzvzpz(3.10)已知uvv=0，uvp=0，那么u=k(vvvp)；已知uvv=1，那么kvu(vvvp)=1，基于此可以推導(dǎo)出k=1vu(vvvp)=1J1，u=vuJ1，v=vvJ1,P=VpJ1。及下式：vu=ru=xui+yuj+zuk=m=18Njuxmi+m=18Njvymj+m=18Npuzmk(3.11)因此就能算出u、v、p。在低壓開關(guān)柜內(nèi)部的母排室中，本文中將母排尺寸參數(shù)分別設(shè)為長為a，寬為b，厚為c，計算出其體積為=abc。長方體母排單元處于空間，設(shè)其所在位置為(xc,yc,zc)。根據(jù)上述方式對此單元進行離散：u=1ai，v=1bj，p=1ck(3.12)如果建立條件(3.13)利用式(3.10)，建立母排插值函數(shù)：W1=1bcy1-yz1-zi ;W2=1bcy-y2z1-ziW3=1bcy1-yz-z1i ;W4=1bcy-y2z-z2iW5=1bcz1-zx1-xj ;W6=1bcz-z2x1-xjW7=1bcz1-zx-x2j ;W8=1bcz-z2x-x2jW9=1bcx1-xy1-yk ;W10=1bcx-x2y1-ykW11=1bcx1-xy-y2k;W12=1bcx-x2y-y2k(3.14)根據(jù)電磁場方程對母排的分析如下：渦流區(qū)母排控制方程：1A=-jA(3.15)非渦流區(qū)母排控制方程：1A=Js (3.16) 所求區(qū)域的控制方程：1A=Js-jA(3.17)通過里茲-伽遼金方法對(3.17)進行處理，有：(3