一種全新的適應嚴苛環境的低壓開關柜

林力飚

摘要：采礦環境對于電氣設備而言是地球上最嚴苛的環境之一。大量濕氣和持續粉塵形成的可導電積灰時刻威脅著電氣的絕緣性，地面震動和爆破沖擊更會破壞精密的儀表設備。文章介紹了一種全新的低壓開關柜，詳述其結構參數、特點和優點，旨在與相關人員分享設計經驗，為今后的工作提供一些思路。

關鍵詞：嚴苛環境；低壓開關柜；采礦環境；電氣設備；電氣絕緣性 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM591 文章編號：1009-2374（2017）10-0022-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.011

采礦環境對于電氣設備而言，被認為是地球上最嚴苛的環境之一。大量濕氣和持續粉塵形成的可導電積灰時刻威脅著電氣的絕緣性，地面震動和爆破沖擊更會破壞精密的儀表設備。另外，礦工的人身安全也應考慮。

圖1

澳大利亞ABB公司為了拓展礦業領域的業務，研發了一種全新的高等級、高分隔要求、高性能、便于維護的低壓控制柜——ABB SafeStart。在柜型研發期間，筆者參與了其中的主要過程，現將此柜型的結構特點及優點做詳細分析。

1 新型礦業低壓柜的突出優點及主要參數

SafeStart新型礦業低壓柜簡介：

系統由主動力柜和若干臺控制柜組成，主動力柜進線后，通過主母排將電流傳至角排，控制模塊再從角排取電，實現對現場的控制。

系統采用高度靈活、免維修的框架。柜內安裝不同元件以滿足各種需求。其設計和材料能最大程度的防止故障電弧的發生，一旦發生故障電弧，能在短時間內熄滅。它通過了權威機構的故障電弧測試，也通過了型式試驗。試驗中，故障電弧不影響相鄰的抽屜模塊。電弧熄滅后，抽屜組件經過清理，各組件柜中的位置不變。

以下詳解SafeStart系統的技術特點和優勢：

1.1 適用性

礦業的特點要求在其環境下運行的開關柜具有高防護等級、高分隔要求、持續穩定、易于維護的特點，同時盡量降低成本。

SafeStart低壓柜適用環境參數如下：相對濕度可達90%；環境溫度-5℃～50℃；IP等級可達IP54；適用嚴苛環境，例如礦業和冶煉行業。

1.2 可靠性

1.2.1 框架（橫梁、骨架、外殼）。主體結構包含組合式框架，每根橫梁和骨架均采用高強度C型結構，上面開模數孔。

骨架間的拼接使用耐落螺絲，橫梁和骨架之間用拉包固定，組合后整體結構穩定。所有框架零件均無需維修。

橫梁和骨架表面鍍鋅，耐腐蝕。

框架底部提供底板。門板和外殼可配通風口，頂板可為通風型或密閉型（按需選擇）。

1.2.2 主母排和角排。主母排位于柜體后部，可分上下層，水平安裝，單層主母線系統布置在上層或下層，按實際要求分為3P/4P主母排，與設備室和電纜室隔離。

兩層主母排的截面大小可不同。主母排單排/串聯/并聯均可。視電流大小，每相可由2或4根主母排組成。母排材料為銅。不同截面的母排也能搭接。可按需做表面處理。垂直角排用于抽屜模塊和母排之間。可全高、半高、或中間分斷呈兩段布置。角排每根為單根直角形銅排，表面鍍銀，以保證導電性能。

主母排系統采用免維護結構。主母排固定在特制的母線夾上，再將整組母線固定于骨架上。全部母線由耐落螺絲組裝，安裝方便可靠。

在水平主母排與垂直角排之間，有一塊專門設計的多功能板，其正面有4道凹槽，3P/4P垂直角排被安裝于槽內并貫穿整個柜高，保證各相分隔，且位于固定的空間位置。

多功能板背后，對應各相高度有相應敲落孔，角排與主母排通過塞在敲落孔中的銅柱實現連接。

角排安裝后，多功能板正面有對應的塑料蓋板，可完全覆蓋角排，只在抽屜對應一次叉的位置留出空間，實現抽屜與角排的電氣連接。

完全分隔的角排/主母排提供了極好的安全性能——角排與角排之間、角排與主母排之間不會產生電弧。

多功能板右側，裝有覆鋁鋅板材質的柜頂至柜底的隔離板，其上開有模數槽，實現設備區與母排區分隔，也滿足一定的通風需求。此處也可換成無通風槽鐵板以滿足高分隔要求。

1.2.3 電力連接。抽屜與角排連接的一次叉可避免電纜扭曲和減少應力，提高接觸性能。特制的彈簧保證了良好的電氣接觸性能。經過測試，可實現插拔1000次以上。

1.2.4 防故障設計。抽屜后部與垂直角排之間有一定空擋，可為抽屜提供短路保護。

1.3 安全性

安全是ABB的最優先考慮。

1.3.1 電弧安全測試。電弧測試的目的是降低內部電弧故障對個人傷害和設備破壞的風險。電弧測試適用標準IEC61641和AS/NZS3439.1 AnnexZD，此電弧測試在最嚴格的IP54條件下進行，無任何推測和假設。

1.3.2 抽屜互鎖改進。為保證安全，新連鎖裝置保證開關在ON時，抽屜無法被插入。比較原先復雜的多個開關分合位置的方式，這是更先進的設計。

原先ABB公司抽出式抽屜的手柄有5個位置：

ON：主回路控制回路處于連接狀態。OFF：主回路控制回路處于斷開狀態。TEST：主回路處于斷開狀態，控制回路處于連接狀態，用于測試目的的所有功能可用。ISOLATED：所有主回路控制回路處于斷開狀態，抽屜離柜30mm。WITHDRAWN：所有主回路控制回路處于斷開狀態，抽屜在柜內可隨時抽出。由于手柄位置多，操作繁瑣，此設計對工作人員的專業素質要求較高。

在新式抽屜的設計中，采用了一種全新的機械連鎖結構，如圖5所示：

互鎖原理：開關手柄只設ON/OFF兩個位置，在手柄至開關的軸上加裝連鎖機構，當開關處于OFF時，連桿落下，此時抽屜可進出柜體，當抽屜就位門板合上后，手柄轉至ON，連桿升起，嵌入抽屜與抽屜之間的隔板，此時抽屜無法被抽出。

此設計保證主開關在工作狀態時無法被抽出，只有主開關在OFF時才能抽出抽屜。當抽屜被抽出時，如開關處于ON，抽屜無法進入柜體從而避免誤操作。且采用純機械結構，保證了互鎖的可靠性和長期有效性。

1.3.3 接地。抽屜有專門的接地設計，保證基本的安全需求。抽屜就位時，抽屜上的鐵片直接與骨架上的接地鐵片接觸，保證抽屜的可靠接地。

1.3.4 隔離。按AS/NZS3439.1標準，SafeStart最大能滿足Form4a的隔離要求，即母排區與設備區分隔，設備區與電纜小室分隔，抽屜與抽屜之間分隔（如圖6左圖）。

1.3.5 掛鎖。主開關手柄最大承重2kg，配備金屬掛鎖（如圖6右圖）。

1.4 易用性

更換抽屜的結構和功能時，只需少許工具，不論翻新、重新布線還是客戶定制，成本都較低。

1.4.1 抽屜的標準尺寸。抽屜標準尺寸：深度400，寬度600，高度按抽屜規格可以分別為8E、12E、16E、20E、24E、32E（1E=25mm）。

每個抽屜包含：主開關的主回路電纜；主開關；主接觸器；ABB INSUM設備和控制單元；信號和控制電纜。電氣設備功能可選：熱敏電阻保護；電壓/電流測量；接地故障測量；循環監測。

1.4.2 單片式安裝板。所有元件正面安裝，易于布線或更換配件。相同規格的抽屜，安裝板整合成通用板，減少改變抽屜配置的時間。

1.4.3 抽屜門板。抽屜門板安裝于框架上，與抽屜獨立。當抽屜移出時，門板仍在柜上，此時可關門避免粉塵進入，也避免人員與柜內接觸，在抽屜維護或更換時防止飛弧傷人。門板采用專門的鉸鏈，開門角度可大于120度，必要時也可取下。門上裝有接地線。

1.4.4 拉手和橫梁。抽屜大小為16E及以上時，抽屜左右側面將安裝拉手，可更安全方便地移動抽屜。

抽屜底部采用加強型橫梁設計，操作人員不需要額外工具就可以將抽屜直接抽出或推入。

1.4.5 通風結構。抽屜左側和后側右部開百葉窗。抽屜工作時，可通風散熱，故障時可作泄壓通道。

1.5 主要結構參數

高度：2200mm（ABB標準高度）/寬度：400、600、800、1000、1200mm/深度：600、800、1000、1200mm/基本尺寸：E=25mm/表面處理：鍍鋅/防護等級：IP31、IP41、IP42、IP54。

1.6 SafeStart柜的關鍵技術數據

1.6.1 適用標準：設計驗證測試IEC61439-1、IEC61439-2、AS3439.1。

1.6.2 電弧故障測試 IEC61641/AS3439.1。

1.6.3 測試機構ASTA/NATA（National Associatation of Testing Authorities，Australia）。

1.6.4 電氣數據：

第一，額定電壓：額定絕緣電壓Ui 1000V 3相；額定工作電壓Ue 400V、415V、440V、500V、690V 3相；額定沖擊耐受電壓Uimp 6/8/12kV；過電壓等級Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ；額定頻率可達60Hz。

第二，額定電流：主母排——額定電流可達6300A，額定峰值電流可達250kA，額定短時耐受電流可達100kA。

對應不同的主母排電流，骨架也有不同要求：當母排電流≥3200A時，全系統背部骨架防磁，同時進線柜電流經過方向的縱向骨架防磁。當主母排電流<3200A時，全系統所有骨架不防磁。

角排——額定電流可達1500A，額定峰值電流可達176kA，額定短時耐受電流可達80kA。

1.6.5 塑料件采用無鹵、自熄、阻燃、無氯氟烴材料。

1.6.6 其他。銅排表面處理：裸銅、鍍銀或鍍錫，熱縮等。

1.6.7 故障電弧。額定電壓：415V/80kVA@IP54 690V/

50kVA@IP54預計短路電流：可達80kA；持續時間：300ms。

1.7 其他

1.7.1 加熱器、照明設備、火災監測器等輔助設備。當相對濕度大于80%（24小時平均濕度）時，可使用加熱器除濕。安裝原則為：加熱器需裝于被保護裝置下部，一般指柜體底部。多片加熱器均布除濕比一片大功率加熱器除濕更有效。

當柜體環境光線不佳時，可加裝照明設備。根據實際情況，在柜內酌情安裝。

當客戶有火災監測的需求時，可加裝火災監測器，具體位置參考照明設備的安裝。

1.7.2 滅弧罩的安裝。當柜體后方為通道時，標準通風窗外需增加滅弧罩，以避免母排發生故障時飛弧傷人。當柜體靠墻安裝時，則無需安裝。

2 結語

SafeStart低壓開關柜定型至今，現已有成套低壓柜在現場運行。該柜型優異的性能和合理的設計得到了客戶的贊揚和信賴，為ABB贏得了良好的效益和聲譽。

參考文獻

[1] 低壓成套開關設備和控制設備（GB 7251.1）[S].

[2] ABB SateStart低壓開關柜產品說明書（英文版）[S].

[3] ABB Engineering guildline[S].

[4] ABB Engineering notice[S].

[5] ABB低壓開關柜MNS3.0樣本[S].

（責任編輯：黃銀芳）