電力二次保護插箱設(shè)計研究

江魏 張明輝 李陽

摘要：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了實現(xiàn)產(chǎn)品各項功能而對產(chǎn)品內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、形狀特征的構(gòu)想和定義。一個好產(chǎn)品必須要實用，功能是產(chǎn)品存在的理由，所以功能是設(shè)計的第一位，其次才是形狀特征。一個好的結(jié)構(gòu)設(shè)計并不是簡單結(jié)構(gòu)堆積，其中蘊含了很多表面并不凸顯的要點。在產(chǎn)品生命周期的各階段可能逐漸凸顯這些優(yōu)點，當(dāng)然也有可能永遠(yuǎn)不會顯現(xiàn)（比如某些安全預(yù)防功能）。結(jié)合筆者多年從事二次保護行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)歷，歸納概括電力二次保護插箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般思路。

關(guān)鍵詞：構(gòu)想;結(jié)構(gòu);思路

中圖分類號：TB472

文獻標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）04-0159-02

Abstract：Product structure design is the conception and definition of internal and external structure and shape characteristics for the realization of various functions of the product.A good product must be practical， function is the reason for the existence of the product， so function is the ?rst design， followed by shape characteristics.A good structural design is not a simple accumulation of structures， which contains many surface does not highlight the point.These advantages may gradually become apparent at various stages of the product life cycle， or they may never become apparent（For example， some safety precautions）.Combined with the author's many years of experience in the structural design of secondary protection industry， this paper summarizes the general ideas of the design of secondary protection box junction.

Key Words：Design;Structure;Idea

近年來我國電力行業(yè)高速發(fā)展，帶動二次保護行業(yè)日新月異，掀起了多次技術(shù)變革。國內(nèi)電力設(shè)備企業(yè)只有積極迎接智能電網(wǎng)帶來的變革，抓住機遇、接受挑戰(zhàn)，在不斷發(fā)展的過程中不懈努力，不斷提高。二次設(shè)備市場需求增長較快，行業(yè)產(chǎn)銷率波動幅度較小，行業(yè)抗周期能力較強。市場規(guī)模小，但相對進入壁壘高，行業(yè)巨頭壟斷性高。而且二次設(shè)備多是以IT軟硬件為主，屬于電子產(chǎn)品，更新?lián)Q代頻繁。二次設(shè)備不僅能享受國家大規(guī)模電網(wǎng)建設(shè)產(chǎn)生的巨大新增需求，還有不斷產(chǎn)生的更新需求，在整個電網(wǎng)建設(shè)大周期下，行業(yè)展現(xiàn)出巨大生機。

在電力二次保護行業(yè)，鋁制插箱逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。威圖、西門子等是我國最早引進、影響最為廣泛的供貨商。隨著國內(nèi)市場需求的增長，一大批從事二次保護的中小企業(yè)嶄露頭角。他們通過扎實的基本功，勤勤懇懇，逐漸成為我國二次保護行業(yè)的中堅力量。插箱作為二次保護行業(yè)中的一小部分，需大量經(jīng)驗豐富技術(shù)人員來為其作支撐，做出好的產(chǎn)品服務(wù)于社會的發(fā)展。

結(jié)合筆者多年從事二次保護行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷，歸納概括電力二次保護插箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般思路，希望對從事相關(guān)工作的技術(shù)人員有所幫助，促進行業(yè)的發(fā)展與進步。

1產(chǎn)品性能要求

一款插箱產(chǎn)品到底怎么樣，主要從外觀和性能兩個方向去評判。外觀是產(chǎn)品外形給人的第一印象，每個人或許有不同的審美，得出的結(jié)論也是有差異的。工業(yè)化的產(chǎn)品在外觀方面還是力求做到符合大眾審美，不搞特立獨行。

產(chǎn)品總體方案的設(shè)計非常重要，它能否滿足用戶、企業(yè)及社會對產(chǎn)品功能的需求。從總體上檢驗產(chǎn)品對總體目標(biāo)的實現(xiàn)情況，檢驗產(chǎn)品在設(shè)計過程中是否貫徹產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)。對二次保護行業(yè)插箱而言，性能優(yōu)劣的判定主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）是否具備足夠的強度。裝配相應(yīng)的電氣元件后，在振動和沖擊的模擬試驗中保持良好的穩(wěn)定性。確保其在產(chǎn)品服役期間，為內(nèi)外部功能器件提供堅強的物理支撐和防護;（2）是否具有良好的電磁兼容性能。不對外產(chǎn)生大量的電磁輻射和內(nèi)部電氣元器件不被外部的電磁場干擾。電磁兼容性能涉及人身健康和環(huán)境保護，是電子產(chǎn)品質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一;（3）是否具備良好的熱傳遞能力。電氣元件工作產(chǎn)生的熱量積累到一定值時，其能否及時傳遞出去，或者環(huán)境溫度較低時，通過加熱器件產(chǎn)生的熱量能否傳遞給箱體，使其內(nèi)部環(huán)境溫度均勻且滿足各元器件的正常工作;（4）是否具備良好的防腐性能。在相應(yīng)的環(huán)境條件下穩(wěn)定運行，各部件經(jīng)得起時間的考驗。如果防腐性能不強，輕的在表面上有損壞，嚴(yán)重的會引起設(shè)備功能部件的損壞，造成設(shè)備故障;（5）是否具備良好的兼容性能。硬件的兼容性主要是從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)兼容性和零件通用性兩個方面來看。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)兼容性好，能夠大幅降低生產(chǎn)成本，維護成本，以及新產(chǎn)品的研發(fā)成本。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)因素分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了實現(xiàn)產(chǎn)品各項功能而對產(chǎn)品內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、形狀特征的構(gòu)想和定義。一個好產(chǎn)品必須要實用，功能是產(chǎn)品存在的理由，所以功能是設(shè)計的第一位，其次才是形狀特征。產(chǎn)品要實現(xiàn)其各項功能必須依賴結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計是最基礎(chǔ)，也是最復(fù)雜的工作環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計者既要構(gòu)想一系列關(guān)聯(lián)零件來實現(xiàn)各項功能，又要考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀;既要安全耐用、性能優(yōu)良，又要易于制造、降低成本。結(jié)構(gòu)設(shè)計師需要全方位和多目標(biāo)的空間想象力，并跨領(lǐng)域的協(xié)調(diào)整合，根據(jù)各種要求與限制條件尋求對立中的統(tǒng)一。就保護類插箱而言，具體來說主要考慮以下內(nèi)容：

2.1遵循行業(yè)規(guī)范

IEC60297是被廣泛遵循的國際標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過多年的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)也在更新和細(xì)化。我們國家對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T19520，兩個標(biāo)準(zhǔn)我們可以認(rèn)為是等效的。二次保護插箱的典型布置，如圖1。

就保護類插箱而言，主要關(guān)注的是接口要求和外形尺寸要求。接口主要包括插箱與柜體的連接，插箱內(nèi)部插件板與總線背板的連接。插箱與柜體的連接主要體現(xiàn)在上屏螺釘?shù)奈恢蒙希ó?dāng)然非標(biāo)準(zhǔn)插箱不受此限制），常規(guī)全寬安裝孔距為465.1mm，豎直方向上的安裝尺寸根據(jù)箱體的高度而定，具體尺寸上述標(biāo)準(zhǔn)文件有相應(yīng)的規(guī)定。插箱內(nèi)部插件與總線背板的連接，主要取決于連接器的種類和遵循的標(biāo)準(zhǔn)。保護類插箱PCB插拔連接器，廣泛遵循DIN41612歐標(biāo)，國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60603-2，對應(yīng)國標(biāo)為GB/T15157系列標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)最核心的共同點是B列插針的位置要求，如圖2。

可以認(rèn)為其決定了總線背板上連接器的位置，同時也決定了插件PCB板在插針橫向的位置，具體尺寸上述標(biāo)準(zhǔn)文件也有相應(yīng)的規(guī)定。

IP防護等級是由IEC（國際電工委員會）所制定，將電器件按照防塵、防潮的性能加以區(qū)別分級，是電氣設(shè)備安全防護的重要評判標(biāo)準(zhǔn)。就保護類插箱來說，很難實現(xiàn)完全防塵和防潮的要求，但可以通過減小表面開孔大小來降低外界異物進入箱體的風(fēng)險，通過適當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計降低水滴進入箱體的可能性。提升箱體的IP防護等級，往往會犧牲產(chǎn)品的成本優(yōu)勢，防護等級越高，成本增加的越大。在實際工作中，往往需要綜合考慮產(chǎn)品的性能要求和產(chǎn)品成本，選擇適當(dāng)?shù)腎P防護等級。

2.2材料選擇

二次保護行業(yè)插箱經(jīng)過長時間的發(fā)展和更新?lián)Q代，逐步形成以鋁制材料為主，其它材料為輔的產(chǎn)品形態(tài)。鋁的密度是2.7g/cm?，是鐵的2.8倍，導(dǎo)熱性能好，僅次于銀、銅和金，價格低廉，資源豐富。鋁和氧親和力強，在大氣中鋁的表面生成一層致密Al2O3薄膜，可以阻止鋁的進一步氧化。當(dāng)然插箱的組成材料不僅限于鋁材，也采用相當(dāng)多的其它種類材料。比如有絕緣特性的玻璃絲布板、有透明特點的PC材料、耐摩擦性能較好的尼龍66等。選材除了考慮上訴列出的特殊性能要求外，還應(yīng)根據(jù)GB14598.27要求考慮材料的耐溫性能、阻燃性能。

2.3生產(chǎn)制造

行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀是材料、力學(xué)、設(shè)計、制造等多個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域共同努力的結(jié)果。其中生產(chǎn)制造直接擔(dān)負(fù)將設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實的任務(wù)。產(chǎn)品如何轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變方法是否簡單、轉(zhuǎn)變成本是否低廉等這些內(nèi)容都不應(yīng)該是設(shè)計師主要考慮的，但現(xiàn)實卻不是這樣的。在激烈的市場競爭中，設(shè)計師在設(shè)計產(chǎn)品的時候卻不能不兼顧生產(chǎn)實際，特別是大部分結(jié)構(gòu)工程設(shè)計師。對于中小企業(yè)來講，一個好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一定是能實現(xiàn)設(shè)計師的對產(chǎn)品的功能構(gòu)想，一定是便于高效率生產(chǎn)的，一定是便于企業(yè)降低生產(chǎn)成本的，一定是便于保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的。所以廣大的工程技術(shù)人員需要不斷積累和學(xué)習(xí)一定的生產(chǎn)制造經(jīng)驗，并將其用于產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)中。

2.4客戶體驗

客戶體驗看起來有些虛無飄渺，似乎是魔法的產(chǎn)物，實際上，客戶體驗來自具體可控的因素。客戶體驗是客戶在使用一個產(chǎn)品之前、使用期間和使用之后的全部感受，包括情感、喜好、認(rèn)知、生理和心理反應(yīng)等各個方面。無論你在創(chuàng)造體驗時是有意還是無意。這種體驗究竟是完美、糟糕還是在業(yè)內(nèi)處于平均水平，完全要取決于產(chǎn)品和服務(wù)。良好的用戶體驗有助于企業(yè)不斷完善產(chǎn)品和服務(wù)，增強企業(yè)產(chǎn)品競爭力。對于工業(yè)產(chǎn)品來講，用戶體檢沒有像互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)品那樣追求多樣化和個性化。工業(yè)產(chǎn)品主要追求規(guī)范、簡潔、易用、耐用等方面。

2.5產(chǎn)品服役和壽命終結(jié)

產(chǎn)品在實際的工作條件下，能夠在壽命期內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定運行。在設(shè)備出現(xiàn)故障的偶發(fā)事故中，要有完善且便利的更換和退出機制。要使產(chǎn)品的更換或升級變得方便，同時減小此類工作對其它產(chǎn)品或部件產(chǎn)生影響。在產(chǎn)品壽命期終結(jié)期，要能實現(xiàn)簡單、快捷的退出，包括產(chǎn)品設(shè)備的快速拆除、分解、物料回收、不污染環(huán)境等。這需要工程設(shè)計人員在做產(chǎn)品設(shè)計時考慮產(chǎn)品全生命周期，包括產(chǎn)品孕育期、產(chǎn)品生產(chǎn)期、儲存銷售期、服役期和轉(zhuǎn)化再生期。貫徹綠色設(shè)計思想，統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品生命周期各階段。

3結(jié)語

我國對電網(wǎng)一、二次設(shè)備使用年限有明確規(guī)定，按技術(shù)規(guī)范和管理要求，一次設(shè)備使用壽命不超過30年、二次設(shè)備使用壽命不超過12年。我國進入大電網(wǎng)時代以后，電網(wǎng)投資陸續(xù)加速，2006—2009年進入建設(shè)高峰，這一批陸續(xù)需要更新?lián)Q代。再加上國家電網(wǎng)農(nóng)電系統(tǒng)大力實施“三新”農(nóng)電發(fā)展戰(zhàn)略，著力推進農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)與改造“戶戶通電”工程、新農(nóng)村電氣化建設(shè)、農(nóng)電企業(yè)規(guī)范化管理工程和農(nóng)電隊伍素質(zhì)提升工程等，市場前景廣闊。

插箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計看似比較簡單，但對于廣大從業(yè)者來說還是需要逐漸的積累經(jīng)驗和教訓(xùn)。一個好的結(jié)構(gòu)設(shè)計并不是簡單的結(jié)構(gòu)堆積，其中蘊含了很多表面并不凸顯的要點。在產(chǎn)品生命周期的各階段可能逐漸凸顯這些優(yōu)點，當(dāng)然也有可能永遠(yuǎn)不會顯現(xiàn)（比如某些安全預(yù)防功能）。本文僅是結(jié)合工作經(jīng)歷，歸納電力二次保護插箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般思路和方法。文中所言僅供參考，不正之處敬請指正。

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