3000 A三相四線低壓配電控制柜的優化設計

鄒常豐，張 莉

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

低壓配電柜是輸配電系統中的核心設備之一，在電力系統中起著非常關鍵的作用。電力系統的升級對低壓控制柜提出了若干新的要求，所以配電柜日益向智能化、高分段、小型化、大容量發展。目前國內市場流行的控制柜主要有GGD系列、GCK系列、GCS 系列、MNS 系列、MCS 系列［1］，國際市場有法國施耐德電氣有限公司的BLOKSET低壓控制柜、德國西門子股份公司的Sivcon低壓控制柜、瑞士ABB電器有限公司的MNS3低壓控制柜等［2］。但價格相對較貴，所以，在保證實際需求基礎上，本文對3000 A低壓控制柜進行了結構優化設計。

1 主斷路器的選取

低壓斷路器不僅可以接通和分斷正常負荷電流和過負荷電流，還可以接通和分斷短路電流［3］。目前市場上主要有三種型號的斷路器:萬能式短路器、塑料外殼式空氣斷路器、剩余電流動作斷路器［4－5］。

DW系列額定電流相對較大，額定電壓范圍包含380 V三相交流電，動穩定性、熱穩定性都很好，分斷能力強，滿足本設計要求。初選定DW15－3000型斷路器，基本參數如下:額定工作電壓380 V，額定絕緣電壓690 V，額定頻率50 Hz，額定沖擊耐受電壓12 kV，額定電流為3000 A，極限分斷能力80 kA，使用分斷能力100%，短時耐受電流80 kA/s，關合容量200 kA，分斷類型Y。

2 柜體的框架及蒙皮設計

2.1 框架總體設計

柜體框架的寬為965 mm，高為2286 mm，深為1473 mm，其他具體結構尺寸如圖1所示。尺寸均符合國際關于低壓控制柜的標準。框架的桿件均由沖壓加工，沖壓可達到的公差等級為IT10—IT14(其中IT12及以下的公差等級屬于未注公差)，本設計的公差等級為IT12，即為未注公差［6］。

圖1 框架圖Fig.1 Frame diagram

框架結構均采用3 mm厚冷軋鋼沖壓而成，框架之間及蒙皮與框架之間的鏈接均采用ST6.3自攻釘緊固鏈接，連接強度大、裝配效率高，可以重新裝配，具有可裝配性［7］。根據 GB922－76，自攻釘連接的底孔設計為φ5.6，頂孔設計為φ7。底孔通過配鉆的方式加工，降低了精度要求和加工難度，保證了可安裝性。

2.2 框架主要鈑金件設計

邊框立桿為主要桿件，具體形狀如圖2所示。

圖2 邊框立桿零件圖Fig.2 Frame vertical rod parts diagram

2.3 結構強度設計及校核

2.3.1 初選自攻釘并校核

整個控制柜均采用自攻釘連接，根據經驗，初選ST6.3的自攻釘，對其剪切強度進行校核。

1)簡化力學模型。假設載荷的重心在控制柜中心，即載荷均勻分布到左右兩側的承載螺釘上，每側的自攻釘分別承受一半的載荷。

每個自攻釘上的平均剪切力為

每個自攻釘上的剪切應力為

危險自攻釘的剪切應力為

自攻釘的許用剪切應力為

安全系數為

2)桿件孔的擠壓強度校核。同樣應用上述力學模型，每個承載桿件上孔的擠壓力等于螺釘的剪切力，計算得安全系數為綜合考慮自攻釘的剪切強度和桿件上孔的擠壓強度，系統的安全系數較小，即3.91。因初選結果合理，基本滿足了結構的強度及標準化要求。

2.3.2 初選母線連接螺釘并校核

根據同類產品的設計經驗，初選母線之間的連接螺釘為M10、M8兩種，選取M8的螺釘進行強度校核。計算方法與自攻釘的校核方法相同，計算得到安全因數為4。因此，初選的母線連接螺釘M8滿足設計要求。

2.3.3 框架桿件的壓桿穩定校核

建立力學模型:

1)假設載荷的重心為柜體中心，載荷由4個邊框立桿和4根加強筋來承受，每根桿件承受的載荷相同;

2)假設桿件的截面形狀為規則的空心矩形;

3)假設載荷作用在一點，即最上方作用點和最下方作用點的中點。

根據此力學模型，因為邊框立桿力的作用點靠上，即壓桿的長度較大，所以為危險桿，需要對其穩定性進行校核。計算其穩定系數為

因此該壓桿的穩定性滿足要求。

2.4 蒙皮設計

控制柜外表面的蒙皮均采用1 mm厚的冷軋鋼板，用ST 6.3的自攻釘連接到框架上，兩個自攻釘之間的距離為31.75 mm，保證了連接的可靠性。頂面和底面的蒙皮不承受載荷，用12個ST6.3的自攻釘連接在框架上。在高度方向均采用兩塊相同尺寸的蒙皮，有利于增加蒙皮的剛度，保證蒙皮連接孔的同軸度。柜體后面是上下兩塊蒙皮，左側面為6塊蒙皮，右側面為5塊蒙皮。

3 母線設計及熱計算

3.1 初選母線截面積

根據經驗公式，對于銅母線，額定電流1000 A，需要645.16 mm2的母線截面積，母線的截面積設計為矩形，考慮散熱因素和國際標準對母線截面尺寸的規定。矩形的長設計為101.6 mm，寬設計為6.35 mm。因為本設計的控制柜的額定電流為3000 A，所以母線的片數為3。

3.2 母線熱計算

本設計通過熱損耗法來計算母線允許負荷的截面，采用母線允許負荷的計算方法，根據導體中電氣功率損失與導體散向空間熱損失相等的原則來確定導體的允許負荷［8］:

式中:I為電流;∑Q為散熱總量;R為交流電阻。

帶入數據計算得I=3080 A，參照國際標準，確定本設計主母線的截面尺寸為101.6 mm×6.35 mm。

4 結論

1)通過改變了部分框架桿件的截面尺寸，在保證強度的前提下，降低了加工難度;通過合理設計折彎次數的方式增加了桿件的強度，在同強度的情況下減少的原料使用量，降低了原料成本。

2)對母線的排布形式上做了優化設計，使控制柜結構更加緊湊，減少了母線使用量;對支撐桿件的位置進行了合理安排，增加了支撐強度。

3)改變了西門子公司的大塊蒙皮設計方案，采用上下兩塊對稱設計，減小了蒙皮尺寸，降低了孔的位置度要求，提高了加工工藝性，降低了加工成本。

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