Short-circuit calculations for customized solutions in direct current applications
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2022-10-10
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
53 + 1
Series
Abstract
This thesis was written for ABB System Drives to develop a quick and reliable method to calculate electromagnetic forces in bus bars during a short-circuit. The order-based engineering department frequently creates project specific designs according to customer requirements. The focus of this thesis lies on low voltage DC-grid systems, which are typically used in small to medium sized ships. These systems have usually limited space to offer, where DC short-circuits can result in extensive damage. Therefore, calculations are required to demonstrate that the current carrying us bars are appropriately supported. Proper dimensioning tools have the potential to cut costs as well, as the currently used principles are based on rules of thumb which may result in over dimensioned supporting structures. However, over dimensioned bus bar support structures are still much safer and more economic than underestimating the forces potentially resulting in destruction of the equipment. Furthermore, DC short-circuits are still far less studied than AC faults despite DC-grid solutions becoming more common. Scientific studies, articles and ABB’s own data and existing methods were studied to find relevant alternatives to improve the calculation method. To achieve this improvement three calculation methods were compared to determine the most suitable one. The first calculation method was based on the analytic equations of the standard IEC 61660-2. The second method was a simulation with ANSYS Maxwell and the third with ANSYS Transient Structural. An important finding was that the standard IEC 61660-2 does not account for the rise time of the short-circuit current, which seems to have a large impact on the forces based on the simulations. Therefore, this method was ruled out as a reliable calculation tool, as rise times vary based on the source of the fault. The Maxwell and Structural simulations yielded similar results with respect to each other using realistic rise times. However, the Maxwell simulations are far quicker to carry out and iterate. Therefore, the most suitable calculation method for ABB was determined to be the ANSYS Maxwell simulation method. The research and calculations of this thesis resulted in a calculation tool based on the ANSYS Maxwell simulation. The calculation tool speeds up the iteration process of the bus bar dimensions and calculates the electromagnetic forces on the bus bars without extensive knowledge of the ANSYS software.Tämä työ on kirjoitettu ABB System Drives-yksikölle. Tavoitteena oli löytää nopea ja luotettava laskumenetelmä oikosulun virtakiskoihin aiheuttamien sähkömagneettisten voimien laskemista varten. Asiakasräätälöintejä tekevä OBE-osasto joutuu jatkuvasti luomaan uusia projektikohtaisia kiskorakenteita, jotta asiakasvaatimukset täyttyvät. Tämä työ keskittyy matalajännitteisiin tasavirtajärjestelmiin, joita sovelletaan pieni- ja keskikokoisissa laivoissa. Laivojen sähkötilat ja niihin sovitettavat järjestelmät ovat usein todella ahtaita ja kompakteja, minkä lisäksi tasavirtaoikosulut voivat aiheuttaa isojakin voimia, joten tarvitaan luotettava menetelmä virtakiskojen ja niiden tukirakenteiden mitoittamista varten. Tällä hetkellä mitoitukseen käytetään karkeita nyrkkisääntöjä, jotka voivat johtaa rakenteiden ylimitoitukseen. Tästä syystä tarkemman laskumenetelmän avulla rakenteita on mahdollista optimoida, joka pienentää myös kustannuksia. Vaikka tasavirtajärjestelmät yleistyvät kovaa vauhtia, niihin liittyvää oikosulkulaskentaa ei ole vielä tutkittu yhtä perinpoh-jaisesti kuin vaihtovirtajärjestelmissä. Tätä työtä varten on tutkittu tieteellistä kirjallisuutta, sekä ABB:n omia tutkimuksia ja olemassa olevia laskenta- ja käyttöohjeita. Sopivimman ratkaisun löytämiseksi, on vertailtu kolmea laskentamenetelmää, joita on käytetty tähän tarkoitukseen. Ensimmäinen menetelmä pohjautuu IEC 61660-2 standardiin, joka on laadittu tasavirtaoikosulkujen virtakiskoihin aiheuttamien voimien laskemiseen. Toinen menetelmä oli laskenta simulaatiotyökalulla ANSYS Maxwell ja kolmas ANSYS Transient Structural. Yksi tärkeä työn aikana tehty havainto oli, että ennen mainittu standardi ei ota virran nousuaikaa huomioon voimien laskukaavoissaan. Nousuajalla on kuitenkin iso vaikutus voimiin simulointien perusteella, joten standardin oikosulkuvoimayhtälöt eivät kelvanneet laskumenetelmäksi. Okosulkuvirran nousuajat vaihtelevat oikosulun lähteen mukaan ja voivat olla pieniä, joten se on tärkeä yksityiskohta. Maxwell ja Structural simulointien tulokset olivat hyvin toistensa kanssa linjassa realistisilla nousuajoilla, mutta Maxwellilla simulointi ja iterointi oli paljon nopeampaa, joten laskentametodi rakennettiin Maxwellin ympärille.Description
Supervisor
Bossuyt, SvenThesis advisor
Ekroos, MikaelKeywords
dc-grid, short-circuit force calculation, bus bar, ANSYS Maxwell