低壓配電柜的開發(fā)與應(yīng)用探討

馮欽玉

（南京大全電氣有限公司， 江蘇 南京 211100）

引言

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下，低壓配電柜應(yīng)用成為智能電氣系統(tǒng)發(fā)展趨勢。鑒于此，低壓配電柜得到了快速發(fā)展，為實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定程度和可靠性提供了技術(shù)途徑。當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)趨向自動化，這就需要低壓電氣控制系統(tǒng)予以支持，而低壓配電柜的出現(xiàn)推動了這一技術(shù)的發(fā)展，從而不斷滿足智能自動化生產(chǎn)需求。當(dāng)然隨著需求的不斷提升，相應(yīng)的技術(shù)需要不斷創(chuàng)新。因此立足于當(dāng)前發(fā)展概況，進行科學(xué)有效的開發(fā)和應(yīng)用，以推動低壓配電柜技術(shù)的發(fā)展則顯得相當(dāng)關(guān)鍵[1]。

1 低壓配電柜發(fā)展概述

作為一類關(guān)鍵性設(shè)備，我國自20 世紀80 年初期開始進行技術(shù)引進和生產(chǎn)，并在柜體設(shè)計、設(shè)備故障電弧防護能力、加工工藝、開關(guān)設(shè)備智能化等方面進行研究創(chuàng)新，并獲得相應(yīng)的突破和進展。20 世紀90年代后期，我國很多企業(yè)開始進行自主設(shè)計，并采用集成化手段進行集成化、智能化設(shè)計。具體而言，在加工工藝上，實現(xiàn)了母線系統(tǒng)的異型化設(shè)計，從而有效實現(xiàn)了相關(guān)電氣參數(shù)的優(yōu)化條件、連接方式簡化以及溫度控制等。ABB 公司的ArTu K 開關(guān)柜采用了該構(gòu)型的母線系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升。此外異型設(shè)計有助于在配置該配電柜的過程中能夠可塑化設(shè)計，提升整個配電柜的抗彎強度，從而能夠以更加靈活的連接方式來對線路進行簡化設(shè)計[2]。

2 基本設(shè)計原則

2.1 堅持安全、環(huán)保原則

安全、環(huán)保性是低壓配電柜設(shè)計的基本原則。針對低壓配電柜設(shè)計工序安全性而言，首先需要確定低壓配電柜設(shè)計工序中自動化控制技術(shù)的具體用途，以及控制系統(tǒng)使用要求，確保所設(shè)計的控制系統(tǒng)在安全裕度范圍內(nèi)。而低壓配電柜設(shè)計工序節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的宗旨就是環(huán)保、節(jié)能以及安全，將節(jié)能、環(huán)保、安全三者有機結(jié)合必將低壓配電柜設(shè)計發(fā)展的趨勢，因此需要切實做好安全、環(huán)保原則，以此優(yōu)化應(yīng)用局面，提升低壓配電柜的實際應(yīng)用價值[3]。

2.2 減少無關(guān)損耗原則

在整個設(shè)備的應(yīng)用中，首先要求設(shè)備系統(tǒng)的合理性和科學(xué)性。這要求相關(guān)人員須做好各環(huán)節(jié)設(shè)備、系統(tǒng)的核查，并進行優(yōu)化替代處理。確保低壓配電柜設(shè)計中滿足基本要求的前提下最大化地節(jié)省不必要的能源損耗，最大可能地降低能源損耗問題，以此實現(xiàn)低壓配電柜的優(yōu)化設(shè)計。

3 低壓配電柜的開發(fā)與設(shè)計

3.1 柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計

成套配電設(shè)備的框架結(jié)構(gòu)是研發(fā)項目的基礎(chǔ)。高強度的框架結(jié)構(gòu)為配電柜在惡劣的環(huán)境下工作提供了可能性。如何制造出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高強度的框架結(jié)構(gòu)是研發(fā)所面臨的重要問題之一。而結(jié)構(gòu)件的模塊化、標(biāo)準化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計配合專業(yè)化的生產(chǎn)模式是開發(fā)的主要工作。

基于“大橫梁+C 型立柱”的拼裝式框架結(jié)構(gòu)，研制新型柜體框架結(jié)構(gòu)，包括：“多折邊C 型立柱+三通連接件”的框架結(jié)構(gòu)、“異形無縫方鋼管+三通連接件”的框架結(jié)構(gòu)、“異型材+ 三通連接件”的框架結(jié)構(gòu)等。

折邊/型材：采用多折邊技術(shù)，C 型折邊/9 折邊/16 折邊，綜合生產(chǎn)制造能力、加工設(shè)備能力驗證是否能滿足，做到低鈑材用量、高機械強度；對各類型的框架結(jié)構(gòu)進行仿真模擬，計算結(jié)構(gòu)強度數(shù)據(jù)。

拼裝方式：采用三通連接器自攻螺絲固定或者焊接，配合模數(shù)化安裝孔，結(jié)構(gòu)強度高，標(biāo)準化程度高，安裝方便、快捷，既保證了框架的垂直度，同時提高開關(guān)柜整體的結(jié)構(gòu)強度和抗震性能。

3.2 母線系統(tǒng)開發(fā)

母線連接結(jié)構(gòu)是低壓配電設(shè)備的紐帶，是成套設(shè)備的重要組成部分，它決定了低壓開關(guān)成套設(shè)備的電氣參數(shù)、進出線方式、連接方式和柜體溫升。母線系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到配電系統(tǒng)的性能。

在自主開發(fā)的“C”型母線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制一款結(jié)構(gòu)新穎、高表面積、高散熱、高載流量、符合用戶習(xí)慣的新型母線系統(tǒng)。如：正反“雙面C”型排，可同時用于前后搭接、“品”字型排，可實現(xiàn)前、后、下三面搭接等。新型包括：

1）主母排及垂直排的形式：研發(fā)設(shè)計異形排，其機械強度高、散熱性能好、載流量大，制造成本低，同時其他廠商難以模仿。對其載流量需進行計算分析，并進行試驗驗證?？紤]不同電流等級組合的方便性，計算分析截面、成本，通過仿真確定最優(yōu)性價比。

2）銅排搭接方式及長度：采用非滿搭接（滿搭接為搭接面長度為銅排的寬度），對國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準進行研究，通過仿真計算、分析，制定銅排搭接的優(yōu)化方案，確定搭接長度，降低制造成本。

3）母排固定排夾：設(shè)計排夾結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化組合，滿足不同電流等級的通用性要求；通過計算，分析固定件不同間距對母排動、熱穩(wěn)定及短時耐受電流的影響；研究母排固定件防燃弧措施及弧根處理方式，并進行測試。

3.3 保護接地系統(tǒng)設(shè)計

接地保護系統(tǒng)是提升低壓配電柜穩(wěn)定運行的關(guān)鍵業(yè)務(wù)功能模塊，其關(guān)系到是否能夠迅速度實現(xiàn)接地保護，以降低接地故障對整體低壓配電柜內(nèi)部線路系統(tǒng)帶來的損害等業(yè)務(wù)功能。根據(jù)這一需求在設(shè)計這一環(huán)節(jié)的過程，可采用如下方式：

1）通過采用測量級電流互感器來有效提高保護功能啟動的閾值測量精度；

2）直接采用負序電流保護，并適當(dāng)提高整定值，消除負載不平衡的影響;

3）降低故障分量的整定值，以滿足絕緣突然擊穿時的保護動作。

在整個設(shè)計過程中，需做好保護裝置的啟動檢測精度，以啟動效率，降低誤判、漏判概率，從而最大程度上提升保護功能動作精度和效率，從而為整個設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供可靠支持。

3.4 標(biāo)準化及模塊化設(shè)計

低壓柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通常跟用戶的具體要求有關(guān)。其中對柜體的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整的情況較多，勢必造成研發(fā)及制造成本的提高，且根據(jù)對每位用戶的需求單獨設(shè)計，也不利于低壓柜的批量生產(chǎn)。針對這一狀況，在低壓柜的設(shè)計過程中，追求標(biāo)準化、模塊化設(shè)計則是關(guān)鍵之舉，即采用機械接口、可模塊拼接式安裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過不同零部件的組合拼裝，以滿足不同的用戶需求，進而實現(xiàn)較高的通用性。而在生產(chǎn)過程中，僅需設(shè)計與制造各模塊化零部件，并可實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，以降低制造成本。通常而言，模塊化的設(shè)計主要體現(xiàn)在柜體結(jié)構(gòu)的模塊化，如固定柜向抽屜柜設(shè)計的轉(zhuǎn)移，另外，還體現(xiàn)在各個組成結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計，如柜體主框架、安裝板、橫梁和支件等安裝孔的模塊化與標(biāo)準化設(shè)計等。

4 低壓配電柜發(fā)展趨勢

4.1 配電系統(tǒng)智能化控制

對于低壓配電柜而言，所涵蓋的大部分電氣元件均實現(xiàn)了智能化和制動控制。這些業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)主要歸功于微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新技術(shù)同傳統(tǒng)的配電柜技術(shù)的有機融合，由此實現(xiàn)了整體配電系統(tǒng)設(shè)備可靠性提升。從當(dāng)前低壓配電柜的配電系統(tǒng)的發(fā)展來看，配電系統(tǒng)將配備遙測、遙控、遙調(diào)以及遙訊等以“四遙”著稱的功能體系。當(dāng)然隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的采用，低壓配電系統(tǒng)整體配電效果得以顯著提升，并且趨向低功耗發(fā)展。此外，信息技術(shù)的采用使得遠程操控成為可能，極大地提升了系統(tǒng)運維的便捷性，同時也在一定程度上削減了運維成本。

4.2 低壓配電柜新型環(huán)保材料應(yīng)用

節(jié)能環(huán)保是當(dāng)前我國大力提倡的重要政策，致力于該政策是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，也是我國現(xiàn)代化工業(yè)和社會發(fā)展的必由之路。對此提升低壓配電柜的環(huán)保性不僅僅各大生產(chǎn)廠商追求的目標(biāo)，同時也是政策之使然。在此節(jié)能環(huán)保意識不斷提升的今天，很多廠家根據(jù)國家要求在低壓配電柜中引入新型環(huán)保材料。例如，ABB 公司在MNS 低壓配電柜的生產(chǎn)中，除了采用覆鋁鋅柜架外，同時將具有導(dǎo)電率較高的銅母排應(yīng)用其中，并且配上了熱縮套管，實現(xiàn)了安全性能的提升。為了降低氟利昂和鹵素燃燒導(dǎo)致的污染，在使用的塑膠材料中不含上述有害化學(xué)物質(zhì)，從而以實現(xiàn)環(huán)保的基本要求。

5 結(jié)語

低壓配電柜作為重要的電力系統(tǒng)設(shè)備單元，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有著關(guān)鍵促進作用。隨著新一輪經(jīng)濟的持續(xù)快速增長，電力負荷的需求也迅猛增長，為了提高電力終端電能使用的方便性、靈活性和可靠性，低壓配電柜開發(fā)以及應(yīng)用日顯重要。