基于魚骨圖和層次分析法的小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素研究

馬曉娟 張明明 梁忠生 鄭志廣

基于魚骨圖和層次分析法的小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素研究

馬曉娟 張明明 梁忠生 鄭志廣

（庫(kù)柏（寧波）電氣有限公司，浙江 寧波 315336）

低壓開關(guān)柜在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的溫升直接影響開關(guān)柜的安全性能和使用壽命。對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊的小型化低壓開關(guān)柜而言，溫升性能顯得尤為重要。本文以Edison LSN小型化進(jìn)線柜為研究對(duì)象，利用魚骨圖定性分析影響低壓開關(guān)柜溫升的各種因素，再利用層次分析法（AHP）計(jì)算各影響因素的指標(biāo)權(quán)重，以確定影響低壓開關(guān)柜溫升的關(guān)鍵原因，并進(jìn)一步采取有效處理措施，使低壓開關(guān)柜的溫升不僅能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的溫升極限，還能留有裕度。

小型化；低壓開關(guān)柜；溫升；魚骨圖；層次分析法（AHP）

0 引言

低壓配電系統(tǒng)中，低壓開關(guān)柜向著高度集成化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的方向快速發(fā)展，作為低壓開關(guān)柜的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，溫升性能直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命。

開關(guān)柜結(jié)構(gòu)緊湊、高防護(hù)等級(jí)、高集成化的技術(shù)要求致使其溫升不易滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的溫升極限值要求。溫升超標(biāo)會(huì)造成設(shè)備老化、絕緣性能降低、供電中斷及一次設(shè)備起火甚至爆炸等嚴(yán)重事故[1-2]。因此，對(duì)小型化低壓開關(guān)柜的溫升影響因素進(jìn)行研究，針對(duì)性地進(jìn)行整柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升整柜通風(fēng)散熱性能，對(duì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，保證配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，有至關(guān)重要的意義。

本文以Edison LSN進(jìn)線柜為研究對(duì)象，在利用魚骨圖分析法定性地分析出小型化低壓開關(guān)柜的溫升影響因素的前提下，結(jié)合層次分析法（analytic hierarchy process, AHP）計(jì)算各影響因素的指標(biāo)權(quán)重，明確致使小型化低壓開關(guān)柜溫升偏高的主要原因，進(jìn)而針對(duì)性地采取處理措施，降低開關(guān)柜的溫升。

經(jīng)實(shí)際樣柜生產(chǎn)與試驗(yàn)測(cè)試，采用魚骨圖分析法與層次分析法相結(jié)合的方法有助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)人員針對(duì)性地研究影響低壓開關(guān)柜溫升的主要因素，并給出有效改善開關(guān)柜溫升狀況的解決方案。

1 小型化低壓開關(guān)柜的溫升

低壓開關(guān)柜的溫升主要由其正常工作條件下的發(fā)熱情況和散熱情況綜合決定，具體是指開關(guān)柜在規(guī)定工作條件下，柜內(nèi)各部件與周圍環(huán)境溫度的差值。溫升用公式表示為

將低壓開關(guān)柜的溫升值加上環(huán)境溫度就是最高工作溫度，該數(shù)值不能超過(guò)材料的允許極限值。低壓開關(guān)柜的溫升值不能超過(guò)GB/T 7251.1—2013中表6給出的溫升極限值[3]。

2 溫升影響因素的魚骨圖分析

針對(duì)小型化低壓開關(guān)柜來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊、體積偏小，導(dǎo)致柜內(nèi)空間小、元器件和導(dǎo)電體聚集，致使整柜的發(fā)熱量大，散熱效果不佳，溫升難以滿足要求。故分析小型化低壓開關(guān)柜的溫升影響因素，有助于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)人員有側(cè)重點(diǎn)地采取降溫措施。

2.1 魚骨圖

魚骨圖是日本管理大師石川馨先生所提出的一種把握結(jié)果（特性）與原因（影響特性的要因）的因果分析法，又名“石川圖”。在解決問(wèn)題時(shí)，通常采用頭腦風(fēng)暴法找出可能的因素，且將這些因素整理成層次分明、條理清楚的特性要因圖，因其形狀酷似魚骨，稱為“魚骨圖”。

魚骨圖具備直觀性、邏輯性，可快速找出解決問(wèn)題的根本原因，廣泛用于分析社會(huì)、工業(yè)、生活等各領(lǐng)域的問(wèn)題[4-6]。

2.2 溫升影響因素的魚骨圖分析步驟

運(yùn)用魚骨圖分析小型化低壓開關(guān)柜的溫升影響因素主要從人員、機(jī)器、物料、方法、環(huán)境五方面進(jìn)行，其具體步驟如下：

1）明確需要解決的問(wèn)題特性，把問(wèn)題寫在魚骨的魚頭上，選擇主骨的層別方法。

2）使用頭腦風(fēng)暴法找出所有可能的影響因素。

3）將找出的所有要素進(jìn)行歸類、整理，明確其從屬關(guān)系，并在魚骨上標(biāo)出。

4）確定最有可能的原因。

5）繪制完整的魚骨圖。

結(jié)合相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)[7-10]及樣柜生產(chǎn)制作、實(shí)際使用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)評(píng)估，可初步確定小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素主要集中在原材料問(wèn)題、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)人員、外界環(huán)境、工藝制作及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)六個(gè)方面，其魚骨圖分布如圖1所示。

圖1 小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素魚骨圖

3 基于層次分析法的開關(guān)柜溫升影響因素評(píng)估

3.1 層次分析法

層次分析法最早是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T. L. Saaty提出的一種多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法。該方法適用于具有分層交錯(cuò)評(píng)價(jià)指標(biāo)的復(fù)雜問(wèn)題目標(biāo)系統(tǒng)的綜合評(píng)估，首先將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題作為一個(gè)系統(tǒng)，將待評(píng)估的對(duì)象劃分為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則，進(jìn)而分解為多指標(biāo)（或準(zhǔn)則、約束）的若干層次，通過(guò)定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序（權(quán)數(shù)）和總排序，獲取各指標(biāo)權(quán)重，繼而獲得綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[11-12]。

AHP的基本計(jì)算步驟如下：

1）分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次分析模型。

2）構(gòu)造判斷矩陣。

3）由判斷矩陣計(jì)算被比較元素對(duì)于該準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

4）權(quán)重排序，確定最終評(píng)估結(jié)果。

3.2 開關(guān)柜溫升影響因素的層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖1小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素魚骨圖構(gòu)造AHP模型，整個(gè)評(píng)價(jià)體系模型可根據(jù)魚骨圖的形態(tài)分為3個(gè)層次：魚頭視為最高層目標(biāo)層G，是對(duì)開關(guān)柜溫升影響因素的整體評(píng)價(jià)；中間層B為準(zhǔn)則層，包括試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)備、原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制作及外界環(huán)境共6個(gè)二級(jí)指標(biāo)；最下層為方案層C，包括C1C20共20個(gè)影響溫升的三級(jí)指標(biāo)。小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素層次分析模型如圖2所示。

3.3 構(gòu)造判斷矩陣

構(gòu)造判斷矩陣前，首先需要對(duì)每個(gè)層次的開關(guān)柜溫升影響因素的重要性進(jìn)行兩兩對(duì)比并計(jì)分，同層指標(biāo)對(duì)上一層指標(biāo)的重要性按照1～9分值進(jìn)行打分。判斷矩陣標(biāo)度及含義說(shuō)明見表1。

圖2 小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素層次分析模型

表1 判斷矩陣標(biāo)度及含義說(shuō)明

根據(jù)以上標(biāo)度的規(guī)則，通過(guò)低壓成套從業(yè)專家組的新產(chǎn)品開發(fā)及工程項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，進(jìn)行綜合分析評(píng)定，對(duì)同層因素兩兩比較，得到判斷矩陣見表2～表8。

表2 開關(guān)柜溫升影響因素判斷矩陣

表3 試驗(yàn)人員指標(biāo)判斷矩陣

表4 試驗(yàn)設(shè)備指標(biāo)判斷矩陣

表5 原材料指標(biāo)判斷矩陣

表6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)判斷矩陣

表7 工藝制作指標(biāo)判斷矩陣

表8 外界環(huán)境指標(biāo)判斷矩陣

根據(jù)表2～表8可得，G、B1、B2、B3、B4、B5、B6的判斷矩陣分別如式（2）～式（8）所示。

（6）

3.4 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

由每個(gè)階判斷矩陣計(jì)算權(quán)重的過(guò)程如下：

1）計(jì)算判斷矩陣的每行中各個(gè)元素a乘積。

2）依據(jù)式（10）計(jì)算次方根。

4）依據(jù)式（12）計(jì)算判斷矩陣的最大特征值。

5）依據(jù)式（13）計(jì)算一致性指標(biāo)CI。

6）依據(jù)式（14）計(jì)算一致性比率CR。

表9 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

7）根據(jù)各層次指標(biāo)的權(quán)重合算總權(quán)重，然后進(jìn)行排序。

3.5 目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的權(quán)重和排序

1）由本文3.4節(jié)可計(jì)算出低壓開關(guān)柜溫升影響因素權(quán)重見表10。

表10 低壓開關(guān)柜溫升影響因素權(quán)重

故通過(guò)計(jì)算可以判定判斷矩陣具有令人滿意的一致性，所以B1、B2、B3、B4、B5和B6的權(quán)重分別為0.024 9、0.031 3、0.417 5、0.315 2、0.162 6和0.048 4。

2）同理，可推算出試驗(yàn)人員B1、試驗(yàn)設(shè)備B2、原材料B3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)B4、工藝制作B5及外界環(huán)境B6六個(gè)指標(biāo)權(quán)重分別見表11～表16。

表11 試驗(yàn)人員指標(biāo)權(quán)重

表12 試驗(yàn)設(shè)備指標(biāo)權(quán)重

表13 原材料指標(biāo)權(quán)重

表14 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)權(quán)重

表15 工藝制作指標(biāo)權(quán)重

表16 外界環(huán)境指標(biāo)權(quán)重

3.6 各級(jí)指標(biāo)權(quán)重排序

小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素各層指標(biāo)權(quán)重及排序見表17。

表17 小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素各層指標(biāo)權(quán)重及排序

表17中，方案層每個(gè)影響因素的綜合權(quán)重由其每個(gè)影響因素的權(quán)重與上一級(jí)準(zhǔn)則層對(duì)應(yīng)影響因素的權(quán)重相乘得到，后對(duì)綜合權(quán)重進(jìn)行排序。

由表17可知，小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素中排名前5位的是元器件質(zhì)量、柜體通風(fēng)散熱、銅排規(guī)格、銅排制作及柜體防護(hù)等級(jí)，五者的總權(quán)重接近0.7。因此，降低小型化低壓開關(guān)柜的溫升應(yīng)主要從這五個(gè)方面著手。如首先要保證安裝在柜體內(nèi)的空氣斷路器、塑殼斷路器等元器件的質(zhì)量要達(dá)標(biāo)。選擇的元器件各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)必須要滿足甚至優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。溫升試驗(yàn)一方面考核柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更重要的是考核元器件。

柜體的通風(fēng)散熱性能越好，柜內(nèi)的溫升越低。在進(jìn)行柜體設(shè)計(jì)時(shí)，合理地設(shè)置從下而上的散熱風(fēng)道，改善對(duì)流散熱環(huán)境，以提升柜體的散熱性能。

銅排規(guī)格決定了銅排的載流量，進(jìn)而影響開關(guān)柜的溫升。柜內(nèi)銅排規(guī)格偏小，溫升偏高；但若銅排規(guī)格偏大，溫升效果得以改善的同時(shí)，開關(guān)柜制造成本會(huì)偏高。因此，在選擇銅排時(shí)，應(yīng)綜合考慮成本、載流量及銅排設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的校正系數(shù)，一般建議依據(jù)變壓器對(duì)應(yīng)額定電流按照1.1倍過(guò)載系數(shù)選擇滿足載流量的銅排。

銅排的制作工藝表現(xiàn)在銅排加工、折彎、表面處理與絕緣處理。通常情況下，銅排加工時(shí)，應(yīng)圓邊處理且放大折彎半徑。除非特殊要求，表面處理方式一般采用鍍錫。為降低開關(guān)柜的溫升，絕緣處理可采用黑色熱縮套管。銅排搭接處可采用壓花和鍍銀處理，以減小銅排搭接面的接觸電阻、降低搭接面溫升。

4 溫升試驗(yàn)研究

本文以一臺(tái)Edison LSN小型化500mm寬進(jìn)線柜為研究對(duì)象。系統(tǒng)主母線額定電流為2 500A，柜體防護(hù)等級(jí)IP40。

4.1 樣柜實(shí)物

結(jié)合本文第3.6節(jié)的小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素權(quán)重排序結(jié)果，選擇主開關(guān)空氣斷路器型號(hào)為EZMX1—3200s C2500 3P，殼架等級(jí)電流為3 200A，額定工作電壓為AC 400V，額定電流為2 500A，抽屜式，3極，垂直樁頭；柜內(nèi)三相銅排規(guī)格分別為TMY—2（10mm×100mm）。

柜體外殼及柜內(nèi)隔板和安裝板上須設(shè)置一定數(shù)量的通風(fēng)孔，保證柜體的通風(fēng)散熱。銅排走向應(yīng)遵循電氣原理，省排降本，且確?？諝鈹嗦菲鳂额^處易散熱。柜內(nèi)銅排整體豎直布局，且套黑色熱縮管。進(jìn)線柜實(shí)物模型如圖3所示。

圖3 進(jìn)線柜實(shí)物模型

4.2 定義溫升關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)

Edison LSN進(jìn)線柜的溫升極限值不應(yīng)超過(guò)GB/T 7251.1—2013中第9.2節(jié)的規(guī)定，且溫升關(guān)鍵測(cè)試布點(diǎn)依據(jù)表18執(zhí)行。

表18 溫升關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)

4.3 柜體通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)方案

根據(jù)本文第3.6節(jié)的結(jié)論，為測(cè)試柜體通風(fēng)散熱是否為影響小型化低壓開關(guān)柜溫升的重點(diǎn)影響因素，分別針對(duì)柜體頂部、柜體后門采取不同通風(fēng)散熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行溫升測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。其中，柜體頂部對(duì)應(yīng)主母線的位置，采用黑色網(wǎng)孔板，進(jìn)線銅排出柜頂處采用片狀模塑料（sheet molding compound, SMC）板，其余為封閉的冷軋鋼板。柜體后門采用單開門結(jié)構(gòu)。

第一次溫升測(cè)試時(shí)，在柜后門的上、中、下部分別開設(shè)一定數(shù)量的矩形通風(fēng)孔，且在通風(fēng)孔內(nèi)側(cè)安裝黑色網(wǎng)孔板。第二次溫升測(cè)試時(shí)，在柜后門的上、中、下部均開設(shè)一定數(shù)量的豎直方向分布的矩形通風(fēng)孔，且在門內(nèi)側(cè)安裝滿足IP4X等級(jí)的鐵絲網(wǎng)孔板。

4.4 溫升測(cè)試數(shù)據(jù)分析

為更直觀地反映柜體不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)方案對(duì)整柜溫升的影響，將兩次測(cè)試的溫升數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖4所示。

圖4 兩次溫升測(cè)試數(shù)據(jù)

從圖4可以看出，第二次的溫升測(cè)試數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于第一次的溫升測(cè)試數(shù)據(jù)，說(shuō)明柜后門上、中、下部采用矩形通風(fēng)孔豎直分布和IP4X等級(jí)鐵絲網(wǎng)板時(shí)，通風(fēng)孔密度大，通風(fēng)面積變大，散熱風(fēng)道更暢。故柜體通風(fēng)散熱性能得到提高，更有利于降低整柜的溫升。

5 結(jié)論

本文采用魚骨圖和層次分析法，先后從定性、定量角度分析小型化低壓開關(guān)柜溫升影響因素及其指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)而排序確定關(guān)鍵因素，有助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)人員針對(duì)性地采取有效處理措施，降低開關(guān)柜的溫升。

同時(shí)，以一臺(tái)Edison LSN小型化500mm寬進(jìn)線柜為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)際溫升測(cè)試案例，測(cè)試整柜在不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)方案下的溫升情況，對(duì)比分析實(shí)際溫升數(shù)據(jù)，可明確柜體的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是除元器件質(zhì)量以外，影響小型化低壓開關(guān)柜溫升的關(guān)鍵因素，為設(shè)計(jì)開發(fā)人員明確了降低開關(guān)柜溫升的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向。

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Research on influence factors of temperature rise of miniaturized low-voltage switchgear based on fishbone diagram and analytic hierarchy process

MA Xiaojuan ZHANG Mingming LIANG Zhongsheng ZHENG Zhiguang

(Cooper (Ningbo) Electric Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315336)

The temperature rise of the low-voltage switchgear in practical operation directly affects the safety performance and service life cycle of the switchgear. For compact and miniaturized low-voltage switchgear, the performance of temperature rise is even more prominent. In this paper, taking Edison LSN miniaturized incoming cabinet as the research object, the various factors affecting the temperature rise of low-voltage switchgear are analyzed by fishbone diagram, and then the analytic hierarchy process (AHP) is used to calculate the index weight of each influencing factor to determine the key reasons affecting the temperature rise value of low-voltage switchgear, and further effective measures are taken to make the temperature rise of low-voltage switchgear not only meet the temperature rise limit stipulated by national standards, but also leave a margin.

miniaturization; low-voltage switchgear; temperature rise; fishbone diagram; analytic hierarchy process (AHP)

2022-10-27

2022-11-09

馬曉娟（1986—），女，河南平頂山人，碩士，中級(jí)電氣工程師，主要從事低壓成套設(shè)計(jì)及微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化運(yùn)行控制工作。