一種低壓便攜式旁路開關(guān)柜的設(shè)計(jì)方案

深圳供電局有限公司 柴二亮 樊 曄 符湛茹 廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 陳偉琛 深圳帶電科技發(fā)展有限公司 繆寶鋒

能源供給問題往往伴隨著城市的快速發(fā)展而逐漸出現(xiàn)，其中以配電網(wǎng)的問題尤為突出。其主要問題集中在兩個(gè)方面：一是配電線路的移改或者設(shè)備故障；二是線路越來越復(fù)雜導(dǎo)致的停電檢修次數(shù)增多。這些日益顯現(xiàn)的問題給用戶帶來的影響越來越大[1]。另外，維修時(shí)間的不確定使得地方區(qū)域難以保持供電的連續(xù)性。這些問題會(huì)給用戶造成極大的影響，嚴(yán)重?cái)_亂普通居民的日常生活，發(fā)電和輸電等電力企業(yè)則會(huì)因停電導(dǎo)致潮流波動(dòng)大，電網(wǎng)的穩(wěn)定性下降，同時(shí)也造成能源浪費(fèi)。在電力市場環(huán)境下，旁路帶電作業(yè)就是指在正常供電線路上旁路并接轉(zhuǎn)供線路，由轉(zhuǎn)供線路臨時(shí)替代正常供電線路供電，從而在對用戶不間斷供電的情況下實(shí)現(xiàn)對正常供電線路的斷電檢修[2]。期間可能使用旁路電纜車、移動(dòng)箱變車（或稱供電負(fù)荷轉(zhuǎn)移車）、負(fù)荷開關(guān)車、旁路工具車、絕緣工具車、絕緣斗臂車等專用車輛[3]。這種作業(yè)方式和傳統(tǒng)的斷電檢修方式比起來，不僅完成了故障診斷的任務(wù)，而且在檢修供電線路時(shí)不會(huì)影響到用戶的正常用電，提高了供電的可靠性，是目前國內(nèi)外最先進(jìn)的帶電作業(yè)方式之一[4]。

由于許多城市低壓配電房在地下負(fù)層，而且低壓配電室所處環(huán)境周圍障礙多，空間小，需要旁路低壓開關(guān)柜時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移車進(jìn)入難、轉(zhuǎn)移鏈接線路施工難，施工影響大，安全性低等問題[5]。低壓移動(dòng)便攜式旁路開關(guān)柜較好地解決了旁路作業(yè)工作中配電現(xiàn)場施工效率低、難度大、安全性低等問題。采用移動(dòng)便攜式旁路開關(guān)柜，加上智能化數(shù)據(jù)采集裝置，有效解決低壓柜旁路作業(yè)問題，同時(shí)提升應(yīng)急搶修線路工作效率，提升應(yīng)急搶修線路工作服務(wù)自質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急搶修線路工作服務(wù)完成監(jiān)督任務(wù)。配電網(wǎng)中應(yīng)急搶修線路的作業(yè)方法一般分為四種[6]：傳統(tǒng)作業(yè)法、帶電作業(yè)法、移動(dòng)電源作業(yè)法、旁路作業(yè)法。

旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車的出現(xiàn)使得帶電更換或檢修變壓器的操作成為現(xiàn)實(shí)，解決了更換或檢修變壓器的傳統(tǒng)方法只有斷電才能操作的問題，從而最大程度地降低了停電對用戶造成的損失和不便。該功能實(shí)施的原理步驟為：首先把旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車與故障設(shè)備（如變壓器）并列運(yùn)行；接著把故障設(shè)備從電網(wǎng)斷開，退出運(yùn)行；這時(shí)，原故障設(shè)備供電的線路就完全依靠旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車來進(jìn)行供電。當(dāng)故障設(shè)備的故障被排除后，再讓已修復(fù)的正常設(shè)備與旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車再次并列運(yùn)行，隨后旁路負(fù)荷轉(zhuǎn)移車則從電網(wǎng)斷開，退出運(yùn)行，恢復(fù)故障線路用戶的正常供電。但在低壓側(cè)沒有單獨(dú)的旁路開關(guān)柜來實(shí)現(xiàn)在城市化中隱蔽在建筑內(nèi)低壓配電房中的開關(guān)柜進(jìn)行檢修旁路。

1 低壓便攜式旁路開關(guān)柜的設(shè)計(jì)

1.1 開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低壓旁路開關(guān)柜是帶電作業(yè)負(fù)荷轉(zhuǎn)移重要組成部分，在帶電作業(yè)工作中，能否實(shí)現(xiàn)對用戶的供電持續(xù)穩(wěn)定由開關(guān)柜的性能來決定。柜體作為低壓旁路開關(guān)柜的機(jī)械骨架，是低壓旁路開關(guān)柜制造的基礎(chǔ)，因此開關(guān)柜柜體的結(jié)構(gòu)工藝就成了基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。由于低壓旁路開關(guān)柜使用的特殊性，需考慮設(shè)備的安全性、耐久性、靈活性、快捷性。綜合考慮其設(shè)計(jì)具體如下：

在軟件CATIA 上設(shè)計(jì)低壓旁路開關(guān)柜的柜體結(jié)構(gòu)，旁路開關(guān)柜柜體由兩部分構(gòu)成，分別為開關(guān)柜外部的柜體骨架和內(nèi)部用于的支撐元件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要滿足便攜移動(dòng)的工作需求。

開關(guān)柜的柜體結(jié)構(gòu)主要由六大部分組成，從上到下分別為：安裝吊環(huán)、縱向支架、后擋板、立柱、橫向支架和橫梁，四周配以擋板組合而成開關(guān)柜，外地下加上可移動(dòng)滾輪，用鉚釘把開關(guān)柜框架的頂部、立柱、底座橫向支架和橫梁連接起來。這種結(jié)構(gòu)的開關(guān)柜不僅體積較小，而且強(qiáng)度和剛度較強(qiáng)，符合便攜的設(shè)計(jì)要求。

其次對低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。開關(guān)柜柜體必須有足夠的強(qiáng)度來滿足安裝使用的要求，這就需要對開關(guān)柜柜體的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行處理，要具體的量化計(jì)算和實(shí)際實(shí)驗(yàn)，最后從計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中找出柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)解作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜體的機(jī)械以及柜體板材等各種指標(biāo)必須符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜柜體骨架結(jié)構(gòu)可以采用低碳鋼與鋁合金材料，這種材料不僅有足夠的強(qiáng)度來滿足開關(guān)柜的使用，而且原料低廉，易于從市場上獲取。

在軟件ANSYS Workbench 上建立低壓旁路開關(guān)柜結(jié)構(gòu)有限元模型，以便于進(jìn)行開關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析，由此得到開關(guān)柜柜體在不同工作狀態(tài)下的等效應(yīng)力分布情況以判斷柜體是否存在變形的狀況。此外，還要對開關(guān)柜在移動(dòng)過程中可能出現(xiàn)的各種震動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，計(jì)算出較常見的幾種應(yīng)用場景的震動(dòng)頻率，提高其抗震性能。

本文運(yùn)用有限元分析法，對前期設(shè)計(jì)中的開關(guān)柜全面地分析了開關(guān)柜的強(qiáng)度等性能指標(biāo)，這樣才能同時(shí)兼顧開關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)的可靠性和材料是否不足或冗余的經(jīng)濟(jì)性。

首先是對低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜的柜體進(jìn)行有限元建模，把開關(guān)柜的柜體模型離散化為有限元的計(jì)算模型，進(jìn)行有限元分析。所以，對力學(xué)特性不一樣的開關(guān)柜柜體結(jié)構(gòu)，要選擇與之相匹配的有限元單位，再用多次的仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算出開關(guān)柜較為真實(shí)的力學(xué)特性。在多次的仿真與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，簡化開關(guān)柜柜體的有限元分析模型。例如：某些連接件的復(fù)雜圓弧可以適當(dāng)?shù)刈優(yōu)楹唵蔚闹本€，忽略對柜體影響微小的因素?？傊?，在滿足分析的精度前提下盡可能地對開關(guān)柜柜體模型進(jìn)行簡化。

其次模型導(dǎo)入。在CATIA 軟件中進(jìn)行開關(guān)柜柜體的幾何實(shí)體建模，然后保存為IGES 格式文件，啟動(dòng)ANSYS Workbench，從菜單File_import_IGES 選擇文件將開關(guān)柜柜體的幾何建模導(dǎo)入有限元軟件ANSYS 中，再計(jì)算工況和邊界條件，根據(jù)低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜柜體后部上端斷路器、采集器以及柜門，質(zhì)量單元mass21通過剛性單元連接到開關(guān)柜相應(yīng)承載部位，采用線彈性方法進(jìn)行分析計(jì)算，得出其抗震性能。

在響應(yīng)曲面優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對旁路便攜開關(guān)柜柜體的板厚參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，基于DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來選取合適的開關(guān)柜工作狀態(tài)進(jìn)行分析。低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜柜體主要材質(zhì)為鋁合金折彎件，即把厚度為3mm 或4mm 的鋁合金板用鉚釘連接起來。選擇開關(guān)柜柜體鋁合金板厚度作為優(yōu)化量。這是對低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。

對開關(guān)柜的接頭設(shè)計(jì)上，對于不同的類型需要具體分析、計(jì)算、論證和實(shí)驗(yàn)，確保其電氣性能滿足開關(guān)柜的需要。首先，根據(jù)開關(guān)柜的類型不同，需要具體分析開關(guān)柜的接頭，對柜體進(jìn)行碰撞試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)以及IP 等級防護(hù)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對該結(jié)構(gòu)的電氣性能測試和設(shè)備安全性判斷。其次低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜在實(shí)際存放過程中，大多數(shù)是暴露在戶外無保護(hù)的環(huán)境中，這使得終端和接頭部位的電場發(fā)生嚴(yán)重畸變。此外，由于旁路低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜需要經(jīng)常使用，接頭與終端的多次快速連接會(huì)使接頭因磨損而產(chǎn)生形狀跟尺寸的變化。因此，根據(jù)開關(guān)柜的實(shí)際需要，選擇合適的電纜連接頭也是開關(guān)柜設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。

1.2 開關(guān)柜的集成化通訊與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

針對低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜使用情況以及設(shè)備數(shù)據(jù)采集功能，對開關(guān)柜現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在功能、監(jiān)測點(diǎn)范圍、采集內(nèi)容、安全性、實(shí)時(shí)性等提出了更高的要求。低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了分層設(shè)計(jì)、多信道接入、集群技術(shù)。研究以前置通信服務(wù)為核心，實(shí)現(xiàn)對旁路開關(guān)柜電現(xiàn)場數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的采集功能，為現(xiàn)場旁路開關(guān)柜電氣情況、全生命周期等管理功能提供數(shù)據(jù)支持。具體如下：

研究可用于低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由時(shí)分割乘法器電路和高性能處理器來分別測量供電線路的精確功率和數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)具有高精度和高速率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，能夠快速精確地采集瞬時(shí)電壓、電流量、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、電壓電流的相位、相位差，在線時(shí)間，總能量等重要數(shù)據(jù)。

首先設(shè)計(jì)時(shí)分割乘法器電路，包括壓控占空比電路、正負(fù)開關(guān)電路、濾波電路以及運(yùn)算分析，設(shè)計(jì)高精度AD 轉(zhuǎn)換電路以及相位差測量電路，最后設(shè)計(jì)處理器及其外圍電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以使用小型嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（LwIP），通過用戶人機(jī)接口界面（GUI）實(shí)現(xiàn)低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜的人機(jī)交互。

研究低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜集成化通訊，提供各個(gè)低壓移動(dòng)便攜式旁路開關(guān)柜電力現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各類高層應(yīng)用提供透明的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控服務(wù)。低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜里數(shù)據(jù)采集采用無線專網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。由于現(xiàn)場環(huán)境無法確定以及信號覆蓋弱等特點(diǎn)，傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化已經(jīng)成為主要數(shù)據(jù)傳輸主要問題。因此，要通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)來保證傳輸質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)也要兼顧網(wǎng)絡(luò)故障問題處理的優(yōu)化。

1.3開關(guān)柜的數(shù)字化信息管理系統(tǒng)

低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜數(shù)字化信息集成管理系統(tǒng)通過在低壓便攜移動(dòng)式低壓旁路開關(guān)柜中安裝的數(shù)據(jù)采集單元，完成對電流、電壓、有功功率、無功功率、柜內(nèi)溫度、在線時(shí)間、總電能等數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對便攜移動(dòng)低壓旁路開關(guān)柜全天候監(jiān)測以及精益安全管理。便攜移動(dòng)低壓旁路開關(guān)柜數(shù)字化信息管理系統(tǒng)基本功能包括：

采集層：監(jiān)測數(shù)據(jù)層主要接受和解析便攜移動(dòng)式低壓旁路開關(guān)柜內(nèi)智能數(shù)據(jù)采集裝置上傳的數(shù)據(jù)，主要包括電流、電壓、有功功率、無功功率、柜內(nèi)溫度、在線時(shí)間、總電能等。

分析層：分析層為該系統(tǒng)的核心，該層主要作用為分析監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析層與數(shù)據(jù)庫的交互。表示層：表示層的主要作用為向用戶提供可視化界面，方便用戶操作。該層要分為以下模塊：

（1）可視化監(jiān)測模塊：以統(tǒng)計(jì)、圖表等形式直觀的向用戶呈現(xiàn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)下的是試運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜的數(shù)字化監(jiān)測。（2）故障預(yù)警模塊：以圖形化的方式來為用戶提供預(yù)警內(nèi)容報(bào)告，提醒用戶設(shè)備是否出現(xiàn)故障。（3）設(shè)備管理模塊：通過設(shè)備管理模塊，可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備在線狀態(tài)、使用次數(shù)、工作位置、以及設(shè)備全生命周期等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、管理，用戶可第一時(shí)間了解設(shè)備使用情況，側(cè)面可反映使用設(shè)備工作次數(shù)以及工作時(shí)間，對帶電作業(yè)工作結(jié)算起到輔助作用。

通過對低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜電氣性能、結(jié)構(gòu)、以及柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)妊芯抗ぷ?。研制的低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜樣機(jī)具備靈活移動(dòng)、接入快捷、電氣性能優(yōu)良、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等性能。

2 結(jié)語

本文通過低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜電氣性能、結(jié)構(gòu)、以及柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)妊芯抗ぷ鳎瓿闪说蛪罕銛y移動(dòng)式旁路開關(guān)柜結(jié)構(gòu)研制工作。通過低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜電氣性能、結(jié)構(gòu)、以及柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)妊芯抗ぷ鳎兄频蛪罕銛y移動(dòng)式旁路開關(guān)柜樣機(jī)，使得低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜樣機(jī)具備滿足以下條件：靈活移動(dòng)、接入快捷、電氣性能優(yōu)良、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等性能。

低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜實(shí)用化要求高，對于設(shè)備電氣安全性等要求嚴(yán)格，需要廣泛收集國內(nèi)外帶電作業(yè)、電源旁路等相關(guān)資料，并結(jié)合典型的場景特點(diǎn)對相關(guān)應(yīng)用技術(shù)性能進(jìn)行評估。在設(shè)備研發(fā)階段、需要充分考慮設(shè)備安裝現(xiàn)場地理環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素，以滿足實(shí)用化要求。由于便攜移動(dòng)旁路開關(guān)柜便攜、靈活等特性，需要做到再長期運(yùn)輸以及移動(dòng)過程中，不影響設(shè)備的電氣性能。同時(shí)還需要考慮到低壓便攜移動(dòng)式旁路開關(guān)柜全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)對旁路開關(guān)柜實(shí)用化監(jiān)測。