針對檢驗環(huán)境下的手車式配電柜優(yōu)化設(shè)計

譚蘭平，梁 寅

（1.云南永邦國際工程咨詢有限公司，云南昆明 650100；2.昆明電器科學(xué)研究所，云南昆明 650021）

針對檢驗環(huán)境下的手車式配電柜優(yōu)化設(shè)計

譚蘭平1，梁 寅2

（1.云南永邦國際工程咨詢有限公司，云南昆明 650100；2.昆明電器科學(xué)研究所，云南昆明 650021）

以低壓成套設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)中廣泛應(yīng)用的手車式配電柜為優(yōu)化設(shè)計對象，在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上分析了關(guān)鍵設(shè)備——三相調(diào)壓器的電氣特性，從對關(guān)鍵設(shè)備過載保護的角度出發(fā)探討了實施優(yōu)化設(shè)計的方法，提出了一、二次回路設(shè)計方案，以消除臺車在使用過程因潛在的過負荷現(xiàn)象造成的不利影響，進一步提高臺車設(shè)備的可靠性。

三相調(diào)壓器；恒流源；過負荷保護；電壓監(jiān)視繼電器

1 設(shè)備概述

本文涉及的手車式配電柜是一種專為互感器、小容量變壓器等電氣設(shè)備參數(shù)校驗提供電源或為工廠中小負荷提供臨時電源的移動式產(chǎn)品。該產(chǎn)品能夠按需向負載輸出不同類型不同規(guī)格的恒定電壓和電流，在成套設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的工廠車間、試驗室和電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測實驗室被廣泛用作試驗電源。手車式配電柜實現(xiàn)電壓電流調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備是容量不等的有載調(diào)壓變壓器，這種設(shè)備具有恒流源特性。

1.1 移動式電源車的電氣原理和性能分析

目前市面上沒有專業(yè)用于電壓互感器和電流互感器的校驗、換流設(shè)備性能參數(shù)測試、非線性負載諧波發(fā)生測試等試驗的可移動電源設(shè)備，基于試驗檢測用特殊要求，特設(shè)計并制作一臺手車式配電柜。原配電柜由1個三相交流電壓不可調(diào)回路，3個電壓可調(diào)輸出回路（分別由1路三相交流調(diào)壓回路、1路單相交流調(diào)壓回路、1路直流調(diào)壓回路組成），3個單相線電流調(diào)節(jié)輸出回路（從A、B、C各相線上取電的電流調(diào)節(jié)回路）和1個直流電流調(diào)節(jié)輸出回路組成。一次回路系統(tǒng)圖如圖1所示。

3個電壓調(diào)節(jié)輸出回路（標(biāo)號2，3，4），3個電流調(diào)節(jié)輸出回路（標(biāo)號5，6，7），1個直流電流調(diào)節(jié)輸出回路（標(biāo)號8）均由一個容量為3 kVA，輸入電壓為380 VAC，輸出電壓在0～430 VAC范圍內(nèi)可調(diào)的有載調(diào)壓變壓器供電，而4回電流調(diào)節(jié)輸出回路還連接著4個500 VA的單相變壓器，并由這4個單相變壓器供電，8個供電回路的每一回均設(shè)置了斷路器，用于分?jǐn)嗷芈泛捅Ｗo；各回斷路器額定工作電流標(biāo)注如圖1所示。標(biāo)號2，3，4組成的電壓調(diào)節(jié)回路由接觸器KM1控制其分?jǐn)?；?biāo)號5，6，7，8由接觸器KM2控制其分?jǐn)唷?/p>

圖1 原設(shè)計系統(tǒng)圖

1.2 手車式配電柜在使用過程中出現(xiàn)的問題

手車式配電柜成品制成后，發(fā)生兩次較嚴(yán)重的過載現(xiàn)象，致使該產(chǎn)品關(guān)鍵設(shè)備有載調(diào)壓器和變壓器受到不同程度的損壞。經(jīng)過分析，認(rèn)為是有載調(diào)壓器和單相變壓器容量過小所致，而該產(chǎn)品在實際的工廠實驗用環(huán)境中的使用狀況是復(fù)雜而不確定的，接入負荷容量的不確定性，易造成變壓器可能長期處在過載的條件下運行，突發(fā)的外部測試線路或任何接負載的線路短路也會對設(shè)備造成損傷。但由于必須結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備對電源的需求性能，單純提高設(shè)備容量在經(jīng)濟性上是不可取的，在工藝上也無法滿足試驗要求，并且在安全性上也存在一定的風(fēng)險，因此需要針對存在的問題對手車式配電柜進行優(yōu)化設(shè)計，提高配電柜適用性和安全性。

2 關(guān)鍵設(shè)備特性分析及其保護對策

2.1 有載調(diào)壓變壓器的輸出特性分析及其保護對策

上述分析表明有載調(diào)壓變壓器是該產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)備之一。從輸出端口看進去，有載調(diào)壓器變壓器的端口特性等效為恒流源，其原理是在整個調(diào)壓范圍內(nèi)改變輸出視載功率達到恒定額定電流的能力。

將輸出電壓與功率的標(biāo)度繪制成圖并擬合如圖2所示。

圖2 三相調(diào)壓器調(diào)壓范圍擬合函數(shù)

可以發(fā)現(xiàn)配電柜的調(diào)壓變壓器輸出功率與輸出電壓兩個變量間的線性度在中間較高，兩端極低點和極高點較低，用線性擬合函數(shù)建立輸出電壓與輸出功率的關(guān)系表示為：

其中線性插值函數(shù)中出現(xiàn)的計算負值視載功率無意義，接近430 V輸出電壓點的視載功率計算值也不可靠，因為在兩端兩個輸出參數(shù)的線性關(guān)系已經(jīng)不存在。由于三相負載線電流與電壓服從S=1.732UlIl[1]，因此插值函數(shù)斜率除以1.732就是三相調(diào)壓器的最大輸出電流，值為Ie=4 A。

該電流既表示出三相調(diào)壓器的恒流源特性，又表示在有載調(diào)壓變壓器調(diào)壓范圍內(nèi)設(shè)備可輸出的電流最大值為4 A，設(shè)備所帶回路的實際輸出超過該值則導(dǎo)致設(shè)備過載。結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn)無論在有載調(diào)壓變壓器上游還是下游的線路上，所裝設(shè)的斷路器額定電流值無法對該設(shè)備進行過負荷保護。配電柜在工廠中使用時，所帶的負載是隨機的，因此應(yīng)對原有設(shè)計優(yōu)化，優(yōu)化對策就是按照文獻[2]允許調(diào)壓器過載40%計算熔斷器動作電流，其值為5.6 A。實際熔斷電流按舍去小數(shù)位取。熔斷選型為5 A，裝設(shè)在調(diào)壓變壓器出線側(cè)，該熔斷器對變壓器起過載保護作用，使得2～8號回路中的任一回路過載或某幾個同時取電回路的輸出電流加和后，使變壓器總輸出電流超過5 A而過載，都可導(dǎo)致熔斷器熔斷。

2.2 單相變壓器的容量特性分析及其保護對策

配電柜的四個單相變壓器均是變比相同（為11：1）、容量相同（為500 VA）、輸入額定電壓相同（為220 VAC）的變壓器，其作用是進行電壓、電流變換。參照文獻[3-5]，結(jié)合原設(shè)計和設(shè)備參數(shù)表，當(dāng)有載調(diào)壓器和單相變壓器配合時，可能造成單相變壓器過載，因為當(dāng)調(diào)壓器輸出電壓超過220 V時，其輸出功率將超過1 496 VA，折合到單相將超過500 VA。調(diào)壓器容量超過單相變壓器所造成的后果是調(diào)壓器正常運行的時候，單相變壓器可能已過載。為了避免調(diào)壓過程中產(chǎn)生過載。在電流調(diào)節(jié)回路運行時，必須限制調(diào)壓器的調(diào)壓范圍使其輸出電壓在[0，220]V范圍內(nèi)變化。目前在配電柜上這一操作限制僅由說明書操作規(guī)程給出，在實際應(yīng)用過程中會造成隱患。因此優(yōu)化的方法是在每個單相變壓器的進線端，安裝單相電壓監(jiān)視繼電器，電壓繼電器的閾值按允許過載10%計算，即550 VA對應(yīng)的電壓值作為整定的閾值。通過在單相電壓功率組成的平面上，（127.02，498.67）（144.34， 566.67）兩點之間做拉格朗日線性插值找到550VA對應(yīng)的電壓，表達式為：

具體方案是單相電壓監(jiān)視繼電器閾值電壓整定為140 V，返回電壓整定為127 V，優(yōu)化后電源車的一二次回路如圖3所示。

圖3 單相變壓器過載保護示意圖

3 結(jié)論與展望

調(diào)壓變壓器、單相變壓器是手車式配電柜的關(guān)鍵設(shè)備，這兩類設(shè)備造價高，手車式配電柜原有設(shè)計并未考慮到對這調(diào)壓變壓器和單相變壓器的過載保護，表現(xiàn)為在系統(tǒng)圖中并未專門設(shè)置三相調(diào)壓器的過負荷保護斷路器；單相調(diào)壓器的三個斷路器無法實現(xiàn)過載保護。通過分析調(diào)壓變壓器的輸出特性和單相變壓器容量特性，可以發(fā)現(xiàn)它們都具有恒流源特性，因此對三相調(diào)壓變壓器的保護對策在于設(shè)置熔斷器實現(xiàn)過載延遲保護；對單相調(diào)壓器的保護對策在于設(shè)置實現(xiàn)過電壓保護的一二次回路。這樣做的目的是將電氣產(chǎn)品在投運后可能產(chǎn)生的潛在的安全隱患，通過技術(shù)手段就在設(shè)計階段將其杜絕，防止因運營管理不善造成關(guān)鍵設(shè)備損壞甚至燒毀等安全事故。

然而電源車運用的工廠試驗環(huán)境是非常復(fù)雜的，電源車將如何使用是無法完全預(yù)料的，僅僅考慮對變壓器這種關(guān)鍵設(shè)備的保護是不夠的，僅僅引入繼電保護手段也是不夠的，因此電源車的優(yōu)化設(shè)計不僅要包含關(guān)鍵設(shè)備的保護，還需要在操作人員保護，諸如三相四線系統(tǒng)的斷線保護等關(guān)鍵設(shè)備的其它類型保護，信號警示等環(huán)節(jié)再加以考慮并進行優(yōu)化。這樣才能從技術(shù)層面上將運營的安全隱患消除掉。

［1］孫亮，陳其翔，湯龍.電氣設(shè)計中Excel電子表格的應(yīng)用［J］.電氣應(yīng)用，2012（2）：29-32.

［2］JB/T 8749.3-2013.調(diào)壓器第3部分：接觸調(diào)壓器［S］.

［3］施耐德電氣有限公司.電氣裝置應(yīng)用設(shè)計指南2006［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［4］劉介才.工廠供電［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［5］湯蘊璆，梁艷萍.電機學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

Trolley Power Supply Optimal Designing under the Condition of Electrical Test

TAN Lan-ping1，LIANG Yin2
（1.Yunnan Yong Bang International Engineering Consulting Co.，Ltd.，Kunming 650100，China；2.Kunming Electrical Apparatus Research Institute，Kunming650021，China）

Trolley power supply is widely used in the factory which manufactures the complete set of low-voltage equipment.It is taken as a research object for promoting the optimal designing in this article.The Electrical Schematic of the trolley power supply and its electrical properties are analyzed.Optimal designing methods are discussed from the view of relay protection of the core device.The primary circuit optimal designing scheme and the secondary circuit optimal designing scheme are offered.The purpose is to remove the hazard of the equipment damage in the using procedure and to improve the reliability.

three-phase voltage regulator；constant-current source；overload protection；voltage monitoring relay

TM403

A

1009－9492(2015)10－0033－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.008

譚蘭平，男，1982年生，湖南婁底人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：建筑電氣、機房工程、供配電系統(tǒng)設(shè)計及安裝。

(編輯：阮毅)

2015－04－17