戶外配變低壓綜合配電箱的改進探究

李科帥 余順行

（平高集團智能電氣有限公司）

0 引言

隨著我國市場經(jīng)濟不斷發(fā)展和進步，如今人們生產(chǎn)、生活對電能的依賴度越來越高，配電箱作為變配電系統(tǒng)的重要設(shè)施，如果在運行中存在安全隱患，不僅會影響供配電質(zhì)量，甚至造成安全事故。傳統(tǒng)配電箱整體結(jié)構(gòu)缺乏標準化設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計隨意性較強，并且布局混亂、容量小、性能差、功能少。同時，部分配電箱由于建設(shè)時間較為久遠，沒有預留出智能化改造的智能網(wǎng)關(guān)接口，實現(xiàn)整體改造升級難度較大。本文圍繞傳統(tǒng)配電箱的現(xiàn)存問題，以簡單性、安全性、高效性、經(jīng)濟性、智能性為改造目標展開設(shè)計。

1 戶外配電低壓綜合配電箱及其現(xiàn)存問題

1.1 概念

配變低壓綜合配電箱是10／0.4kV供電系統(tǒng)的重要組成部分，主要作用是接受、分配電力資源的低壓配電設(shè)施，通常在戶外配電變壓器低壓側(cè)安裝該設(shè)備。配電箱中主要包含的硬件設(shè)施有：開關(guān)裝置（負載開關(guān)、隔離開關(guān)等）、斷路器裝置（配電斷路器、進線斷路器、內(nèi)部保護斷路器等）、避雷裝置、計量裝置（互感器、電能表等）、電容器［1］。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng)系統(tǒng)和特殊生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部配電網(wǎng)領(lǐng)域中，配電箱使用十分廣泛，大多數(shù)配電箱安裝在10／0.4kV變壓器桿架上，主要實現(xiàn)的功能有低壓負荷配電、低壓負荷計量、無功補償?shù)取?/p>

1.2 現(xiàn)存問題

主流的戶外變壓器配電及無功補償是由二個箱體或一個總箱構(gòu)成的，主要有三種設(shè)置方法：

（2）將無功補償、計量、斷路器等均在一個簡單的總箱中安裝，只通過簡單布局布設(shè)、無分隔室，導致不同元器件之間相互影響非常強，如果某個元器件產(chǎn)生故障問題，會直接影響其他元器件正常運行，特別是帶有無功補償功能的電容器，相比其他元器件故障概率更高。

（3）將無功補償、計量、斷路器均采用獨立隔離設(shè)置，三種元器件呈水平布設(shè)，這樣雖然不會產(chǎn)生故障聯(lián)動、降低了元器件間相互影響，但布局缺乏合理性，占用空間大、材料耗費多。

除了上述提到的布局不合理外，很多配電箱沒有預留智能網(wǎng)關(guān)接口，難以實現(xiàn)智能化改造，增加了配電箱的管控難度、影響檢修實時性，因此智能化改造也是需要重點考慮的問題。

2 戶外配電低壓綜合配電箱總體設(shè)計

2.1 總體設(shè)計原則

2.1.1 標準化及模塊化設(shè)計

配電箱改造應(yīng)以標準化、模塊化設(shè)計為基礎(chǔ)。其中，模塊化設(shè)計不僅可以保證不同元器件的獨立性，還能夠節(jié)省內(nèi)部空間、提高配電箱性能，實現(xiàn)更加靈活的安裝方式。模塊化改造設(shè)計不僅要求組裝結(jié)構(gòu)的模塊化，同時也要求系統(tǒng)功能的模塊化。改造成果如何離不開嚴格的設(shè)計標準以及作業(yè)流程，通過標準化把控實現(xiàn)最終的改造目標。在改造設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合防護差異化、環(huán)境適應(yīng)性原則，減少自然環(huán)境對配電箱運行的負面影響，從而保障整個配電箱系統(tǒng)運行的可靠性［2］。

2.1.2 安全性與可靠性分析

配電箱運行安全是保障配電系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)條件。為了判定配電箱運行是否安全，應(yīng)前期做好電氣設(shè)備運行安全校驗。在進行硬件優(yōu)化、空間優(yōu)化的同時，積極應(yīng)用智能化技術(shù)，通過加強控制來提升配電箱運行安全?？紤]到戶外環(huán)境的隨機性，應(yīng)考慮各類極端天氣情況，針對環(huán)境因素進行適配校驗，從而滿足不同場景下的安全運行。

例2.Maybe she is born with it,maybe its Maybelline.(Maybelline)

2.2 配電箱總體設(shè)計

配電箱總體設(shè)計目標有： （1）高安全性及穩(wěn)定性；（2）拆卸方便，人工操作成本低；（3）高抗壓、防爆、防撞性能，環(huán)境適應(yīng)性強；（4）布局合理，融合性強。

本文所提出的改造方案以標準化、模塊化為核心，包括多樣化安裝方式、模塊化系統(tǒng)功能、標準化安裝尺寸等。在配電箱防腐、密封改造方面，將配電箱框架更換為304無磁不銹鋼，該材料具有承重性強、耐腐蝕性強等特點。配電箱頂棚外殼采用非金屬SMC絕緣復合材料（碳硅組合材料），該材料具有抗水、抗油、抗汽、耐鹽、耐酸等優(yōu)勢，在酸雨、酸堿土壤的腐蝕下依然保持良好的機械性能，可應(yīng)用于高污染場所。防水槽使用具備閉鎖功能的高強度密封橡膠防水槽，不僅能夠保證內(nèi)部散熱功能，其防水、防塵、防沙性能也非常好。門鎖采用三點式扣合門鎖，可保證門板鎖緊的緊密性［3］。

以上改造方案，可以滿足配電箱在各種惡劣環(huán)境下安全運行、保證元器件使用性能，延長配電箱的整體使用壽命。通過對配電箱進出線部分進行重新改造設(shè)計，進出線通道改為備用組合方式，線路設(shè)計結(jié)構(gòu)更加緊湊，一改傳統(tǒng)單選進出線結(jié)構(gòu)的弊端，讓進出線方式選擇更加靈活，提升進出線安裝和后期改造的便捷性和通用性，節(jié)省后期運行成本。

3 戶外配電低壓綜合配電箱改造方案

某區(qū)域10／0.4kV供電系統(tǒng)的配電箱在投入運營中，電容器等元器件故障頻率高，檢修人員頻繁往返各個配電箱展開維護。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該配電箱采用了整體設(shè)計，各個元器件均安裝在一個簡單結(jié)構(gòu)的總箱體中，并且箱外銹蝕嚴重，線路存在絕緣老化，甚至是虛連現(xiàn)象，局部板材有破損，無法保證防雨、防水、防塵性能。對此，當?shù)仉娏ζ髽I(yè)決定對該區(qū)域配電箱進行改造升級。其改造方案如下：

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次設(shè)計采用標準統(tǒng)一、功能獨立、分布式結(jié)構(gòu)理念。采用304不銹鋼、SMC材料通過模塊化組裝箱體，包括SMC頂蓋、SMC側(cè)板以及不銹鋼焊接骨架，在箱體兩側(cè)設(shè)置具有通風功能的百葉孔，箱體通過隔板的方式劃分元器件功能區(qū)，如圖所示，包括無功補償區(qū)、出線區(qū)、網(wǎng)管區(qū)、總進線區(qū)、計量區(qū)等。該設(shè)計方案簡化了配電箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各個板塊使用不銹鋼螺釘安裝，后續(xù)裝卸十分便捷。

圖 配電箱視圖

配電箱主體共有前、后、左、右、頂部5個面板，前面板包含了上面板、下面板，并且兩個面板之間設(shè)有橫梁，橫梁兩側(cè)分別連接左、右側(cè)面板，左、右側(cè)面板在箱體兩側(cè)均安裝固定條用合頁連接。SMC材質(zhì)頂蓋通過模塊化拼接而成，不銹鋼架、SMC模塊拼接成側(cè)板，頂蓋為一體式設(shè)計，增加箱體的整體防護等級［4］。

3.2 結(jié)構(gòu)密封性設(shè)計

針對某區(qū)域配電箱密封性較差問題，對此進行了以下改造設(shè)計：

（1）門板、側(cè)板均使用304無磁不銹鋼材料，搭建配電箱骨架，以提高配電箱的承載性、耐腐性。

（2）頂棚、外殼使用SMC絕緣復合材料，抵抗環(huán)境中的酸、堿、汽、水等侵蝕，確保在長期使用中保持良好的機械性能。

（3）使用高密封性泡發(fā)膠條，安裝在門板處，保持門板銜接位置的防水性能。

（4）使用三點式扣合門鎖，保持門板鎖緊的緊密性，同時保持鎖桿操作輕便性，避免出現(xiàn)卡阻等情況。

本次改造設(shè)計將配電箱等級提升到了IP55防塵防水標準。即使在惡劣的環(huán)境條件下依然可以保持安全、正常運行。

3.3 進出線方式設(shè)計

針對某區(qū)域配電箱進出線布設(shè)問題，決定采用復式互為備用的組合式進出線設(shè)計方案，可實現(xiàn)側(cè)進側(cè)出、下進下出，增加了進出線方式，提高了進出線設(shè)計的通用性。本次設(shè)計的進出線方式主要優(yōu)勢見下表。

表 配電箱改造進出線方式優(yōu)勢對比

3.4 配電與控制裝置改造設(shè)計

配電箱作為給電氣設(shè)備提供電能的配電、控制裝置，其主要功能包括配電、電源切換、過載保護、開關(guān)控制、設(shè)備控制等。某區(qū)域配電箱體積龐大、笨重，控制器、電容器等元器件為多個供應(yīng)商提供，增加了后期整改、維護難度。大部分配電箱無對外通信功能，智能化改造難度大。主要采用了3－10級有級補償，電力能源浪費嚴重，且補償精度不高，三相治理平衡不理想［5］。本次改造最大的突破就是配電和控制裝置重新設(shè)計，投入使用智能化技術(shù)，包括智能網(wǎng)關(guān)、智能設(shè)備，實現(xiàn)配電箱的遠程監(jiān)測和控制。其主要內(nèi)容如下。

3.4.1 主開關(guān)

主開關(guān)部分的功能元器件包括斷路器、電流保護開關(guān)、繼電器。斷路器為箱體的總開關(guān)，電流保護器負責保護配電箱運行安全，防止火災(zāi)隱患和漏電隱患，繼電器負責放大電路信號與負載，帶有電磁保護功能。增設(shè)負荷管理模塊，與所有功能元器件聯(lián)動，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控和遠程開合的作用。

3.4.2 計量與負載管理

采用模塊化設(shè)計方案，新增內(nèi)嵌式智能開關(guān)，可以根據(jù)用戶用電設(shè)備進行用電區(qū)域劃分，每個模塊對應(yīng)一個區(qū)域，保持分工明確。所有模塊均配置獨立開關(guān)，這樣不僅可以保證各個模塊間相互不影響，提高用電安全性，并且更便于后續(xù)檢修工作。各個回路中均配置獨立的檢測模塊，負責檢測各個模塊的用電量，如日用電量、周用電量、月用電量、年用電量，也可以檢測每日最大、最小用電量區(qū)間。在模塊設(shè)定中可根據(jù)需求自行設(shè)置，調(diào)整靈活度更高。

3.4.3 無功補償

將傳統(tǒng)的有級補償改造成智能無功補償，增信智能電容器和SVG，通過結(jié)合補償方案提高補償性能。在電容器和SVG之間設(shè)置RS485通訊模塊，通過該通訊模塊實現(xiàn)SVG對電容器的智能投切功能。如果系統(tǒng)檢測到無功缺額，此時SVG會自動啟動輸出容性無功，待到容性缺額穩(wěn)定或＞1s時，自動投入電容器［6］；檢測到補容超出情況則系統(tǒng)控制自動切除SVG，再切除電容器，SVG輸出感性無功。設(shè)置換向開關(guān)和控制器改善三相不平衡問題，可通過無功調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)不斷電情況下平衡配電網(wǎng)負載，配電網(wǎng)計算機網(wǎng)關(guān)與智能換相開關(guān)聯(lián)動，按照計算機網(wǎng)關(guān)控制標準執(zhí)行相應(yīng)動作。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文針對某區(qū)域配電箱布局不合理、功能單一、運行風險高、環(huán)境適應(yīng)差等問題，針對性提出了10／0.4kV供電系統(tǒng)優(yōu)化改造策略，采用標準化、模塊化設(shè)計理念，將性能較差的材料更換為綜合性能更強的材料，包括304不銹鋼的箱體框架、SMC的頂棚與外殼等，同時優(yōu)化了配電箱的進出線模式，改造了配電與控制裝置，豐富了配電箱的整體智能化功能，為保障配電箱安全運行、便于后期檢修工作奠定了堅實基礎(chǔ)。