低壓配電柜設(shè)計(jì)研究

周明權(quán)

摘 要：本文分析了低壓配電柜設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題，包括低壓配電柜的一致及互換性，電流額定數(shù)據(jù)的選擇，配電柜的額定分散系統(tǒng)等。

關(guān)鍵詞：配電柜;電流;額定

低壓配電柜是低壓配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配電功能的主要電氣設(shè)備，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、工礦企業(yè)及各類(lèi)電力用戶(hù)的低壓配電系統(tǒng)中，用作電能的分配、控制、保護(hù)和監(jiān)測(cè)。本文所說(shuō)的低壓配電柜，也包括配電板。配電板是一種帶有開(kāi)關(guān)或保護(hù)器件（例如熔斷器或小型斷路器），并帶有一條或多條進(jìn)出線(xiàn)電路，以及用來(lái)連接中性導(dǎo)體和保護(hù)電路導(dǎo)體端子的成套設(shè)備。它可以帶有信號(hào)和其他控制器件，配電板常稱(chēng)配電箱。

由于使用場(chǎng)所和業(yè)主要求的千差萬(wàn)別，使得低壓配電柜的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，不僅難以具有通用性，而且需要較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期。在傳統(tǒng)的低壓配電設(shè)計(jì)過(guò)程中，只有所有外部供電資料、負(fù)荷資料、配電方案、業(yè)主要求等確定后，才可能完成低壓配電柜的設(shè)計(jì)，而且隨著設(shè)計(jì)的深入，業(yè)主、工藝及其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)會(huì)不斷地修改對(duì)電氣專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)輸入資料，這也使得低壓配電柜的接線(xiàn)圖在設(shè)計(jì)完成前很難確定，上述情況對(duì)工程建設(shè)的進(jìn)度控制帶來(lái)重大挑戰(zhàn)，特別是中大型工程。事實(shí)上即使設(shè)計(jì)完成了，在實(shí)施和運(yùn)行過(guò)程中電氣專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)輸入仍然會(huì)不停變化，因此設(shè)計(jì)低壓配電柜是業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)各方都非常關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。

1 低壓配電柜的一致及互換性

對(duì)于指定的低壓標(biāo)準(zhǔn)配電柜，其外形尺寸、外部接口應(yīng)是相同的，以保證配電柜的一致及互換性，這是設(shè)計(jì)低壓標(biāo)準(zhǔn)配電柜的一個(gè)基本原則。滿(mǎn)足了上述原則，就可以使采購(gòu)的配電柜的外形尺寸、外部接口與供應(yīng)商無(wú)關(guān)，可以圓滿(mǎn)地解決多家供應(yīng)商供貨產(chǎn)品不一致的問(wèn)題。為達(dá)到上述目的，設(shè)計(jì)師在選擇標(biāo)準(zhǔn)配電柜的柜體型號(hào)時(shí)應(yīng)與業(yè)主充分溝通，慎重確定。

2 低壓配電柜的電流額定數(shù)據(jù)的選擇

變電所等重要場(chǎng)所常采用低壓主配電柜，在標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)柜體的電流額定數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能統(tǒng)一。當(dāng)變壓器容量差別不大時(shí)，建議統(tǒng)一為一種規(guī)格，當(dāng)變壓器容量差別較大時(shí)，可考慮分為二種規(guī)格。一般情況下，當(dāng)考慮采用低壓標(biāo)準(zhǔn)配電柜時(shí)，變壓器的容量規(guī)格也宜盡量統(tǒng)一，避免出現(xiàn)過(guò)多的變壓器容量規(guī)格。

低壓主配電柜內(nèi)一般有兩類(lèi)母線(xiàn)：水平母線(xiàn)（主母線(xiàn)）和垂直母線(xiàn)（配電母線(xiàn)）。制造商提供的與母線(xiàn)相關(guān)的3個(gè)重要電流額定數(shù)據(jù)是：額定電流（In）、額定峰值耐受電流（Ipk）、額定短時(shí)耐受電流（Icw）。對(duì)于主母線(xiàn)，國(guó)產(chǎn)品牌產(chǎn)品的額定電流常見(jiàn)規(guī)格為1600A、2000A、2500A、3200A、4000A，合資或進(jìn)口品牌低壓柜主母線(xiàn)的額定電流可達(dá)7000A，一般情況下選擇主母線(xiàn)時(shí)考慮的主要因素是變壓器容量，對(duì)于配電母線(xiàn)，國(guó)產(chǎn)品牌低壓柜的額定電流常見(jiàn)規(guī)格為1000～1600A，合資或進(jìn)口品牌低壓柜的額定電流可達(dá)4000A，一般情況下選擇配電母線(xiàn)時(shí)考慮的主要因素是出線(xiàn)回路負(fù)荷的大小和數(shù)量。在負(fù)荷較多且電流較大時(shí)，宜選擇配電母線(xiàn)較大的開(kāi)關(guān)柜，以方便使用。

主母線(xiàn)和配電母線(xiàn)額定電流初選后，應(yīng)按最不利的運(yùn)行情況進(jìn)行Icw、Ipk的校驗(yàn)，其中Icw是短路熱穩(wěn)定的校驗(yàn)，Ipk是短路動(dòng)穩(wěn)定的校驗(yàn)，兩者不能相互替代。在變壓器容量較大或并列運(yùn)行時(shí)，僅按額定電流選擇母線(xiàn)往往不能滿(mǎn)足動(dòng)、熱穩(wěn)定要求。筆者認(rèn)為低壓柜內(nèi)主母線(xiàn)及配電母線(xiàn)的額定短時(shí)耐受電流Icw均不應(yīng)小于柜內(nèi)實(shí)際的短路電流有效值。對(duì)于Icw，制造商給出的短路持續(xù)時(shí)間一般為1s，而低壓開(kāi)關(guān)柜在選用B類(lèi)斷路器時(shí)，延時(shí)時(shí)間一般為0.4～0.8s，這種情況下開(kāi)關(guān)柜實(shí)際的短路耐受電流可根據(jù)I2t=常數(shù)進(jìn)行折算。

另外在進(jìn)行水平母線(xiàn)規(guī)格的選擇時(shí)應(yīng)注意，相同規(guī)格的母線(xiàn)，在開(kāi)關(guān)柜防護(hù)等級(jí)、通風(fēng)條件不同時(shí)，其額定電流具有較大的差異，不同公司的柜體，其母線(xiàn)外形及結(jié)構(gòu)也不相同。

3 配電柜的額定分散系數(shù)

額定分散系數(shù)是成套設(shè)備制造商根據(jù)發(fā)熱的相互影響給出的成套設(shè)備出線(xiàn)電路可以持續(xù)并同時(shí)承載的額定電流的標(biāo)幺值。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)配電柜，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)不可能確定每個(gè)柜的計(jì)算電流，但也沒(méi)有必要要求所有回路均能在額定電流下連續(xù)運(yùn)行，因此額定分散系數(shù)是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)配電柜的一個(gè)重要概念。對(duì)于設(shè)計(jì)者和成套設(shè)備制造商而言，通過(guò)額定分散系數(shù)，規(guī)定了成套設(shè)備所設(shè)計(jì)的平均負(fù)荷條件，避免了材料和資源的低效率應(yīng)用。

根據(jù)GB7251.12-2013/IEC 61439-2：2011《低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分：成套電力開(kāi)關(guān)和控制設(shè)備》，當(dāng)成套設(shè)備制造商與用戶(hù)協(xié)議缺少實(shí)際負(fù)載電流的情況下，成套設(shè)備輸出電路或輸出電路組的設(shè)定負(fù)載可采用文中的值。對(duì)于低壓標(biāo)準(zhǔn)配電柜，由于為通用設(shè)計(jì)，各個(gè)出線(xiàn)回路所接負(fù)荷不確定，故設(shè)計(jì)時(shí)額定分散系數(shù)建議按表1中的計(jì)算負(fù)荷值選取。

對(duì)于具有多個(gè)出線(xiàn)回路的低壓主開(kāi)關(guān)柜，低壓柜配電母線(xiàn)額定電流的大小，實(shí)質(zhì)上決定了配電柜最大的饋出電流，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意額定分散系數(shù)，使配電柜各出線(xiàn)回路脫扣器/熔斷器額定電流之和乘以額定分散系數(shù)的數(shù)值不能大于配電母線(xiàn)額定電流，如一個(gè)設(shè)置4個(gè)脫扣器額定電流為630A的饋出回路的低壓柜，配電母線(xiàn)額定電流選擇1000或1600A是不恰當(dāng)?shù)?，因?yàn)?×630×0.8=2016，數(shù)值大于1600。對(duì)于一般場(chǎng)所使用的箱型開(kāi)關(guān)柜，通過(guò)柜體的最大電流計(jì)算負(fù)荷值、進(jìn)線(xiàn)元件、上級(jí)保護(hù)元件的最大電流綜合考慮。

4 配電柜的防護(hù)等級(jí)及冷卻

配電柜的防護(hù)等級(jí)應(yīng)根據(jù)工作環(huán)境、供電可靠性要求等因素確定。工業(yè)廠房環(huán)境較為惡劣，為防止水管破裂、漏水等因素對(duì)設(shè)備的影響，國(guó)外的低壓配電柜常采用防護(hù)等級(jí)為IP54 配電柜，出線(xiàn)形式多采用下進(jìn)線(xiàn)下出線(xiàn)方式。當(dāng)配電柜防護(hù)等級(jí)較高時(shí)，應(yīng)控制柜體內(nèi)的溫升，使保護(hù)元件的降容在可接受的合理范圍內(nèi)。對(duì)于防護(hù)等級(jí)較高的配電柜，建議設(shè)置機(jī)械通風(fēng)，并盡量使柜內(nèi)相對(duì)于周?chē)h(huán)境的溫升不超過(guò)10～15℃。

5 上下級(jí)保護(hù)元件的選擇性

GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.2條要求：配電線(xiàn)路裝設(shè)的上下級(jí)保護(hù)電器，其動(dòng)作特性應(yīng)具有選擇性，且各級(jí)之間能協(xié)調(diào)配合。非重要負(fù)荷的保護(hù)電器，可采用部分選擇性或無(wú)選擇性切斷。

對(duì)于熔斷器保護(hù)系統(tǒng)，按照IEC 60269標(biāo)準(zhǔn)和GB 13539系列標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的gG型熔斷器，在額定電流大于16A時(shí)，全選擇性約定電流范圍為1：1.6。部分制造精度高的公司，其選擇性約定電流范圍可達(dá)1：1.25，如此優(yōu)良的全選擇性是其他保護(hù)元件難以比擬的。

對(duì)于斷路器保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)于過(guò)負(fù)荷保護(hù)，上下級(jí)保護(hù)電器動(dòng)作特性之間的選擇性比較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于短路保護(hù)，要做到選擇性配合有一定難度，需綜合考慮脫扣器電流動(dòng)作的整定值、延時(shí)、區(qū)域選擇性聯(lián)鎖、能量選擇等多種技術(shù)手段，也是低壓標(biāo)準(zhǔn)配電柜的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。根據(jù)目前一些進(jìn)口品牌的制造廠資料，上下級(jí)斷路器實(shí)現(xiàn)選擇性的必要條件是：上級(jí)殼架電流/下級(jí)殼架電流≥2，上級(jí)斷路器短延時(shí)電流/下級(jí)斷路器短延時(shí)電流≥1.5，上級(jí)斷路器長(zhǎng)延時(shí)電流/下級(jí)斷路器長(zhǎng)延時(shí)電流≥1.6，上述要求與熔斷器相比，苛刻很多。

參考文獻(xiàn)

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