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(shì)。鑒于此，低壓配電柜得到了快速發(fā)展，為實(shí)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(dòng)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(dòng)了這一技術(shù)的發(fā)展，從而不斷滿足智能自動(dòng)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(jìn)行科學(xué)有效的開發(fā)和應(yīng)用，以推動(dòng)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(guó)自20 世紀(jì)80 年初期開始進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)和生產(chǎn)，并在柜體設(shè)計(jì)、設(shè)備故障電弧防護(hù)能力、加工工藝、開關(guān)設(shè)備智能化等方面進(jìn)行研究創(chuàng)新，并獲得相應(yīng)的突破和進(jìn)展。20 世紀(jì)90年代后期，我國(guó)很多企業(yè)開始進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，并采用集成化手段進(jìn)行集成化、智能化設(shè)計(jì)。具體而言，在加工工藝上，實(shí)現(xiàn)了母線系統(tǒng)的異型化設(shè)計(jì)，從而有效實(shí)現(xiàn)了相關(guān)電氣參數(shù)的優(yōu)化條件、連接方式簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升。此外異型設(shè)計(jì)有助于在配置該配電柜的過程中能夠可塑化設(shè)計(jì)，提升整個(gè)配電柜的抗彎強(qiáng)度，從而能夠以更加靈活的連接方式來(lái)對(duì)線路進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)[2]。

2 基本設(shè)計(jì)原則

2.1 堅(jiān)持安全、環(huán)保原則

安全、環(huán)保性是低壓配電柜設(shè)計(jì)的基本原則。針對(duì)低壓配電柜設(shè)計(jì)工序安全性而言，首先需要確定低壓配電柜設(shè)計(jì)工序中自動(dòng)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(jì)的控制系統(tǒng)在安全裕度范圍內(nèi)。而低壓配電柜設(shè)計(jì)工序節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)結(jié)合必將低壓配電柜設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)，因此需要切實(shí)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。

2.2 減少無(wú)關(guān)損耗原則

在整個(gè)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(jìn)行優(yōu)化替代處理。確保低壓配電柜設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)低壓配電柜的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 低壓配電柜的開發(fā)與設(shè)計(jì)

3.1 柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成套配電設(shè)備的框架結(jié)構(gòu)是研發(fā)項(xiàng)目的基礎(chǔ)。高強(qiáng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)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(zhǔn)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wú)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(yàn)證是否能滿足，做到低鈑材用量、高機(jī)械強(qiáng)度；對(duì)各類型的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)度高，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，安裝方便、快捷，既保證了框架的垂直度，同時(shí)提高開關(guān)柜整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jìn)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(shí)用于前后搭接、“品”字型排，可實(shí)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(jì)異形排，其機(jī)械強(qiáng)度高、散熱性能好、載流量大，制造成本低，同時(shí)其他廠商難以模仿。對(duì)其載流量需進(jìn)行計(jì)算分析，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證?？紤]不同電流等級(jí)組合的方便性，計(jì)算分析截面、成本，通過仿真確定最優(yōu)性價(jià)比。

2）銅排搭接方式及長(zhǎng)度：采用非滿搭接（滿搭接為搭接面長(zhǎng)度為銅排的寬度），對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，通過仿真計(jì)算、分析，制定銅排搭接的優(yōu)化方案，確定搭接長(zhǎng)度，降低制造成本。

3）母排固定排夾：設(shè)計(jì)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(jí)的通用性要求；通過計(jì)算，分析固定件不同間距對(duì)母排動(dòng)、熱穩(wěn)定及短時(shí)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(jìn)行測(cè)試。

3.3 保護(hù)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接地保護(hù)系統(tǒng)是提升低壓配電柜穩(wěn)定運(yùn)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(shí)現(xiàn)接地保護(hù)，以降低接地故障對(duì)整體低壓配電柜內(nèi)部線路系統(tǒng)帶來(lái)的損害等業(yè)務(wù)功能。根據(jù)這一需求在設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)的過程，可采用如下方式：

1）通過采用測(cè)量級(jí)電流互感器來(lái)有效提高保護(hù)功能啟動(dòng)的閾值測(cè)量精度；

2）直接采用負(fù)序電流保護(hù)，并適當(dāng)提高整定值，消除負(fù)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(shí)的保護(hù)動(dòng)作。

在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，需做好保護(hù)裝置的啟動(dòng)檢測(cè)精度，以啟動(dòng)效率，降低誤判、漏判概率，從而最大程度上提升保護(hù)功能動(dòng)作精度和效率，從而為整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠支持。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化及模塊化設(shè)計(jì)

低壓柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常跟用戶的具體要求有關(guān)。其中對(duì)柜體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的情況較多，勢(shì)必造成研發(fā)及制造成本的提高，且根據(jù)對(duì)每位用戶的需求單獨(dú)設(shè)計(jì)，也不利于低壓柜的批量生產(chǎn)。針對(duì)這一狀況，在低壓柜的設(shè)計(jì)過程中，追求標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)則是關(guān)鍵之舉，即采用機(jī)械接口、可模塊拼接式安裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過不同零部件的組合拼裝，以滿足不同的用戶需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較高的通用性。而在生產(chǎn)過程中，僅需設(shè)計(jì)與制造各模塊化零部件，并可實(shí)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(jì)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(jì)的轉(zhuǎn)移，另外，還體現(xiàn)在各個(gè)組成結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)，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(zhǔn)化設(shè)計(jì)等。

4 低壓配電柜發(fā)展趨勢(shì)

4.1 配電系統(tǒng)智能化控制

對(duì)于低壓配電柜而言，所涵蓋的大部分電氣元件均實(shí)現(xiàn)了智能化和制動(dòng)控制。這些業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)主要?dú)w功于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jī)融合，由此實(shí)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(lái)看，配電系統(tǒng)將配備遙測(cè)、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(chǎng)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(yuǎn)程操控成為可能，極大地提升了系統(tǒng)運(yùn)維的便捷性，同時(shí)也在一定程度上削減了運(yùn)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(guó)大力提倡的重要政策，致力于該政策是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，也是我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)和社會(huì)發(fā)展的必由之路。對(duì)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(shí)也是政策之使然。在此節(jié)能環(huán)保意識(shí)不斷提升的今天，很多廠家根據(jù)國(guó)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)環(huán)保的基本要求。

5 結(jié)語(yǔ)

低壓配電柜作為重要的電力系統(tǒng)設(shè)備單元，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著關(guān)鍵促進(jìn)作用。隨著新一輪經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，電力負(fù)荷的需求也迅猛增長(zhǎng)，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。