低壓智能配電柜設計探討

張全

摘要：配電柜作為施工及各種用電設施都必不可少的配電設備，對于施工的整體運行以及各種用電設施的正常使用有著不能忽視的重要意義。其中，低壓智能配電柜作為社會公眾在日常生活生產中最熟悉的配電柜種類，其設計與完善對于整個配電柜行業的發展有著重要的意義。為提高低壓配電柜的可操作性、可靠性和穩定性，本文對低壓配電柜智能化的設計方法進行探究。主要聚焦于柜體結構、二次元件的智能化設計，簡略涉及通信技術、即時報警，共四部分，以期拋磚引玉，并為新一代的低壓智能配電柜提供一些思考方法。

關鍵詞：低壓智能配電柜;智能化設計;低壓綜保

前言：

低壓智能配電系統應具備電氣管理的功能，實現整個系統生命周期中每個階段的智能化管理，如設計、測試、調試、運維各階段的智能化管理。低壓智能化配電系統遵從一體化的管理流程，通過設備連接和多設備配置等功能，可輕松自如地上傳或下載設備的保護定值和通訊參數等信息，調試完成以后可生產報告文件。

一、柜體結構的智能化設計

低壓配電柜按結構可分為兩種主要的型式：抽屜式和固定式。其一次元件包括斷路器（或熔斷器）、CT、接觸器、一次電纜等。目前對一次元件的智能化改造著重于斷路器和CT：（1）對于斷路器，有智能斷路器的探索，集成測控裝置在斷路器內。該探索國內在2005年就已開始，且當時已有產品，但是始終無法普及應用。原因在下面會提及。（2）對于CT，中高壓電力系統曾經嘗試過電子式互感器，但是從應用情況看故障率甚高，目前已基本處于禁用狀態。

以上一次元件的智能化探索，假設一次元件包含了部分數據采集的功能：當該元件損壞時一次回路已進入故障狀態，但是集成系統卻無法獲得相關的任何信息。

下面分別敘述柜體和抽屜單元智能化設計方法：

（1）???? 柜體。應提供一條專用于敷設通信線纜的隔離通道，以避免通信信號受到強電的干擾，也可以避免其受到大質量電纜的擠壓，更可以避免一次電纜發生火情時導致的監測信息中斷。該通道可以放置于柜體頂部或底部，構成獨立小室，并橫向貫通柜體。

（2）???? 抽屜單元。抽屜單元一共有兩副一次側觸頭，一般來說提供一副二次側觸頭，其靜觸頭均位于柜體上。

目標：①減少抽屜內一次元件的數量，以獲取最大的空間，改善抽屜內散熱的問題;②減少二次回路控制線的數量，改善二次觸頭的損壞率;③設計專用插件，以滿足敷設超五類線的要求，達到100M通信速率的目標。

對應的方法：①將CT集成至一次側進線動觸頭內。如此，可省去抽屜內CT的安裝空間，并且便于維護。CT二次側輸出毫安級信號，接入抽屜內的綜保。②抽屜內安裝LM5F/LL5F系列綜保，綜保的性能在第二部分詳述，以減少柜內二次回路的數量。③增設專用的通信插件，但不用RJ45結構。通用的網線內有8 根線，分為4 組———其本質是4 組雙絞線。對于100M網絡而言，通信傳輸僅僅用到其中的2 組，從RJ45端子定義可知：1（TXD+）、2（TXD-）為一組，3（RXD+）、6（RXD-）為一組。因抽屜內空間很小，傳輸距離短，并不需要4 組線全部接入。鑒于此，通信專用插頭可設計為4 個端子組成的獨立插頭。為便于安裝，可在動靜觸頭側，分別引出很短的線，做成固定的RJ45接頭，最后按IEC標準規定的試驗通過測試即可應用。

綜上所述，柜體和抽屜單元的智能化設計，奠定了前述目標中提升通信速率的基礎，并構建了更堅強的抽屜單元。

二、二次元件的智能化設計

以LM5F/LL5F系列為典型。以下簡述其功能，便于認識低壓綜保已具備哪些功能，在低壓智能配電柜的設計中可以起到哪些作用。

低壓綜保按用途可分為兩個大類：電動機用、線路用。可將其型號命名為LM系列（低壓電動機用）和LL系列（低壓線路用），目前主流應用的為HUAJIAN股份的LM5F和LL5F。

從低壓智能配電柜的設計角度出發，我們希望低壓綜保具備這樣的功能：

（1）???? 電參量的檢測。對于準確度，卻并非要求達到計費級，因為在低壓配電系統中，計費的關口僅僅在進線柜內，沒有必要為此增加額外的成本。因此，綜保兼具測量和保護功能是可行的，測量的準確度能達到1%左右就已經足以反應現場的狀態。

（2）???? 計量功能。如有可能，當然也希望能反應各回路的電度量。同樣的，對準確度不做過高要求。

（3）???? 保護功能。由于接觸器往往應用在電動機回路中，為滿足可靠性的要求，LM系列保護動作的出口分為兩個：作用于斷路器的，和作用于接觸器的。某些保護功能出口必須動作于斷路器，例如單相接地保護、漏電保護。因為這兩個故障狀態下，故障電流可能超過接觸器的分斷能力。

（4）???? 開關量輸入檢測、控制功能。

（5）???? 統計功能。可統計外部操作的情況。

（6）???? 可編程的控制邏輯。可靈活運用于現場的工藝要求。

（7）???? 故障記錄。希望不僅僅能記錄故障瞬間的狀態，還能進行更詳細的故障錄波。

（8）???? 對柜體或一次元件故障的保護報警功能，例如溫度保護、弧光保護、火災報警等等。

（9）???? 通信功能。保留目前工業現場總線（如MODBUS、Profibus-dp等等）的前提下，實現100M以太網通信，滿足IEC61850協議的規定。

（10）?? CT斷線檢測功能。特別指出，低壓二次回路中，對于CT斷線的檢測是極有必要的。

（11）?? 控制回路斷線檢測。低壓二次控制回路的斷線檢測很容易被忽略，但是很有必要。

（12）?? 易維護與長壽命。從維護的角度而言，期望低壓綜保的保護本體與顯示單元分開。從產品壽命的角度出發，期望低壓綜保的電源模塊能夠獨立。

以上功能需求，LM5F/LL5F大部分已具備，LM6F/LL6F已經完全具備。

綜上所述，利用目前國內領先的低壓綜保，減少了以往需單獨配置的表計、單相接地保護、漏電保護、溫度保護、火災報警等等元件，極大程度上減少了二次回路控制線，提高了低壓配電系統的可操作性、可靠性和穩定性。

三、通信技術的應用

有了上述基礎，現設想這樣一臺低壓抽屜柜（固定柜略），頂部有獨立屏蔽的通信通道，第一個抽屜高度為100mm，用于放置專用的通信處理機或光纖交換機，下面有8 個抽屜單元，側面為二次回路敷設室。每個抽屜單元內的綜保，通過網線與通信處理機進行數據交換。所有的通信處理機連接在一起，與站內集成系統進行數據交換，并經由站內集成系統轉發至上一級監控系統。當然，對于通信處理機的安排，也可兩三臺柜放置一套，以節省成本。

四、即時報警

上述構建了一套完整的低壓智能配電系統，其通信速率在100M。在這個前提下，一些重要的報警信息，例如火災報警等等，可以迅速地反映到集成系統平臺。集成系統平臺可利用物聯網模塊，通過4G將被用戶選擇過的重要信息轉發至運維人員。

五、結束語

低壓智能配電柜的設計，首先要解決柜體結構的問題，以達到通信速率的要求;其次，應用國內先進的低壓綜保，減少柜內的元件，提高低壓配電柜的可操作性、可靠性和穩定性;最后，利用現有的通信技術完成整個低壓配電系統的智能化集成工作。

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