低壓開關柜在地鐵低壓主配電系統中的應用

王啟明

[摘? ? 要]文章系統闡述了低壓開關柜的常用參數，結構和方案。介紹低壓主配電系統中，額定電壓和電流的選取，內燃弧人身保護電流的選取，外殼防護等級和分隔型式的定義和選取，進出線方式的選取和柜型的選取。基于地鐵行業的本身的特點，針對關鍵問題進行了深入分析和進行了解決方案的討論。對配插拔式開關的固定柜與抽屜柜的不同特點進行對比分析，結合地鐵實際項目需要，用配插拔式開關的固定柜來安裝大電流饋電回路。照明柜的一次設計與開關柜的標準結構存在沖突，把抽屜柜改成配插拔式開關的固定柜。三級負荷的每個回路需要安裝電動操作機構，抽屜柜的功能單元安裝電動操作機構會導致機械聯鎖失效，存在安全隱患，都改為配插拔式開關的固定柜。通過以開關柜的特點以基礎，并結合地鐵的低壓配電系統的實際需求，選擇合適的開關柜方案，選用配插拔式開關的固定柜，具有安全可靠，經濟適用和方便維護等特點，可以很好地滿足地鐵低壓主配電系統的要求。

[關鍵詞]低壓開關柜;配插拔式開關的固定柜;地鐵

[中圖分類號]TM591 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–0–03

Application of Low-Voltage Switchgear in Metro

Low-Voltage Main Power Distribution System

Wang Qi-ming

[Abstract]This article systematically expounds the common parameters， structures and schemes of low-voltage switchgear. It focuses on the selection of rated voltage and current in the low-voltage main power distribution system， the selection of personal protection current for internal combustion arc， the definition and selection of enclosure protection class and partition type， the selection of inlet and outlet methods， and the selection of cabinet types. Based on the characteristics of the subway industry， in-depth analysis and discussion of solutions were conducted for key issues. A comparative analysis of the different characteristics of the fixed cabinet with plug-in switches and drawer cabinets is carried out， combined with the actual project needs of the subway， the fixed cabinet with plug-in switches is used to install the large current feeder circuit. The primary design of the lighting cabinet conflicted with the standard structure of the switch cabinet， and the drawer cabinet was changed to a fixed cabinet with plug-in switches. Each circuit of the three-level load needs to be installed with an electric operating mechanism. The installation of an electric operating mechanism in the functional unit of the drawer cabinet will cause the mechanical interlock to fail， and there is a safety hazard. All of them are changed to a fixed cabinet equipped with a plug-in switch.

[Keywords]low-voltage switch cabinet; fixed cabinet with plug-in switch; subway

1 低壓開關柜綜述

1.1 基本定義

低壓開關柜是由一個或多個低壓開關器件和與之相關的控制、測量、信號、保護、調節等設備，以及所有內部的電氣和機械的連接及結構部件構成的組合體。

1.2 常用參數

1.2.1 額定工作電壓Ue

電氣成套廠宣稱的與額定電流共同確定設備使用的電壓值。任何電路的額定工作電壓應不小于其所連接的電氣系統的標稱電壓。對于多相電路是指相間電壓，不考慮瞬態電壓，由于系統允差，電源電壓值可以超過額定電壓。

1.2.2 額定絕緣電壓Ui

電氣成套廠對設備或其部件規定的耐受電壓有效值，以表征其絕緣規定的（長期）耐受能力。對于多相電路是指相間電壓。額定絕緣電壓不一定等于設備的額定工作電壓。成套設備中的一條電路的額定絕緣電壓是介電試驗電壓和爬電距離參照的電壓值。一條電路中的額定絕緣電壓應等于或高于該電路中規定的額定工作電壓Ue。

1.2.3 額定沖擊耐受電壓Uimp

沖擊耐受電壓是在規定的條件下，不造成絕緣擊穿，且有一定形狀和極性的沖擊電壓最高峰值。也是電氣成套廠宣稱的沖擊耐受電壓值，以表征其絕緣規定的耐受瞬間時過電壓的能力。應等于或高于該電路預定連接的系統中出現的瞬態過電壓的規定值。

1.2.4 額定電流In

電氣成套廠宣稱的電流值，在規定的條件下通以此電流，成套設備部件的溫升不超過規定的極限。

1.2.5 額定短時耐受電流Icw

電氣成套廠宣稱的在規定條件下，用電流和時間定義的能夠耐受的短時電流有效值，應等于或大于連接到電源每一點上的預期短路電流的有效值。

1.2.6 外殼防護等級

按照標準規定的實驗方法，外殼對接近危險部件、防止固定異物進入或水進入所提供的保護程度。不同的IP代碼標明外殼對人接近危險部件、防止固體異物或水進入的防護等級以及這些防護有關的附加信息的代碼系統。第一位數和第二位數分別指防止固體異物進入的防護能力和防止進水造成有效影響的能力（表1）。

1.3 低壓開關柜柜體結構

1.3.1 固定式低壓開關柜

固定式低壓開關柜具有封閉式結構并帶有固定式部件或插入式器件（如插拔式塑殼斷路器或抽屜式框架斷路器等）的柜、箱型成套設備，一般不含有抽出式部件的固定式成套設備，簡稱低壓固定封閉式成套設備，即固定式低壓開關柜，簡稱固定柜。

1.3.2 抽屜式低壓開關柜

其由帶有母線和抽出式功能單元的柜式成套或柜組式成套設備構成，可以帶有固定式或可移式部件。電能可以通過母線或分支線分配給每個功能單元，簡稱抽屜柜。

1.4 柜體方案

低壓開關柜，按照功能主要分為配電柜、變頻軟啟柜、電容器柜、馬達控制中心柜。

1.4.1 配電柜

配電柜主要滿足大功率進線和出線、饋線、母聯以及雙電源轉換的保護需求。

1.4.2 變頻軟啟柜

變頻軟起柜主要滿足變頻器和軟啟動器的安裝和保護需求。變頻及軟啟動應用的特點是發熱量大，建議針對該應用做專門的設計和實驗，來驗證標準方案在運行過程中的穩定性，保證使其達到標稱性能。

1.4.3 電容器柜

電容器柜是針對無功補償應用設計的電容器柜。電容器柜的應用特點是發熱量大，柜體通風散熱要求高。建議針對該應用做專門的設計和實驗，來驗證標準方案在運行過程中的穩定性及元器件的安全，保證使其達到標稱性能。

1.4.4 馬達控制中心柜

針對馬達回路，提供以下設備組合可供選擇，即斷路器（提供隔離、短路、斷路保護）、接觸器（頻繁控制通斷）、熱繼電器（熱過載保護）。對于馬達保護的應用，馬達控制回路可以跟配電回路混裝。

2 低壓開關柜的選擇

低壓開關柜擁有眾多參數，如額定工作電壓有常見的400/690 V，額定耐受沖擊電壓8 kV/10 kV/12 kV，兩個參數的選擇，彼此相互關聯。額定電流和額定耐受電流的選擇有內在關聯，也與變壓器的參數有關。內燃弧的防護，往往在低壓系統中被忽視，但是對人身和財產的保護，起到很重要的作用。柜型結構的選取，需要結合實際項目情況，不能盲目地推崇抽屜柜，需要給予必要的討論和給出合適的方案，以滿足不同用戶的需求。

2.1 選擇原則

開關柜首先任務是安全供電，而且是持續供電，方便維護，同時盡量做到項目成本最低。

2.2 額定電壓

額定電壓包括主電路和控制電路的額定工作電壓Ue，額定絕緣電壓Ui和額定沖擊耐受電壓Uimp。

（1）低壓開關柜的額定工作電壓Ue一般使用IEC的推薦的標準值。主電路的額定工作電壓一般為400 V和690 V，控制電路的額定電壓一般采用220 V交流或直流。主電路的額定工作電壓和控制回路的額定電壓允許偏差正負10 %。任何電路的額定工作電壓應不小于其所連接的電氣系統的標稱電壓，有可能出現額定工作電壓是690 V，而電氣系統電壓依然是400 V。對于地鐵行業，有更高要求，Ue選用690 V。

（2）額定絕緣電壓Ui是不低于額定工作電壓，如果Ue是400 V，那么Ui是400 V，500 V或更高，如果如果Ue是690 V，那么Ui是690 V、750 V或1 000 V。同樣對于地鐵行業，Ui選用1 000 V。

（3）額定沖擊耐受電壓Uimp可以檢驗設備耐瞬時過電壓能力，主要指耐雷電過電壓的能力。系統電壓400 V，額定沖擊耐受電壓Uimp對應8 kV，系統電壓690 V，額定沖擊耐受電壓Uimp對應12 kV。所以對于地鐵行業，由于項目的重要性，額定電壓選擇依次是Ue選用690 V，Ui選用1 000 V，Uimp選用12 kV。

2.3 額定電流

額定電流包括水平母線的額定電流和額定短時耐受電流。

（1）水平母線的額定電流值，取決于導體截面積的大小，往往是根據變壓器容量來選擇。2 000 kVA變壓器的低壓側額定電流是2887 A，水平母線的額定電流選擇3 200 A>2 887 A即可。但是設計師一般會考慮變壓器具有30%的過載能力，變壓器低壓側電流變成了3 753 A，導致水平母線的額定電流值需要選擇4 000 A>3 753 A。但是地鐵行業的負載率一般比較低，大多數在30%左右，少數在80 %左右，所以難以見到過載30 %的情況，所以2 000 kVA的變壓器，對應選擇水平母線的額定電流3 200 A是合適的，而且實際負荷率最多也只是72.1%，即（2 887×0.8）/3 200）×100%=72.1 %，這樣可以節約大量銅排用量。

（2）水平母線的額定短時耐受電流值是根據變壓器低壓側出口的最大預期短路電流來選擇，如2 000 kVA的變壓器，短路阻抗百分比是6 %，那么最大預期短路電流是48 kA，即（2 887/0.06）/1 000=48 kA，選擇額定短時耐受電流值50 kA即可，但是一般設計至少選擇80 kA，甚至100 kA。由于一般項目，如地鐵行業，雙變壓器是并列運行非并聯運行最大預期短路電流不可能到達100 kA，所以額定短時耐受電流值選擇50 kA是合適的，在保證安全的前提下，大大節省開關柜和元器件的成本。

2.4 內燃弧人身保護電流

內燃弧是在低壓開關設備中，極少發生，沒有強制要求低壓開關柜具有內燃弧防護能力，但不能完全避免內燃弧的產生。它一旦發生，故障電弧能夠在很短時間內形成高壓力和高溫，將對人身及設備造成極大危害。低壓開關設備的故障電弧防護分“結構上的故障電弧防護”和“故障電弧防護裝置”，目前主要采用結構上的故障電弧防護。結構上的故障電弧防護是通過開關組合電器的結構來實現的，在設備封閉情況下限制故障電弧的效應。內燃弧人身保護電流大小的選擇，建議不小于開關電器的額定短時耐受電流值，一般大于等于65 kA/0.3 s。

3 大電流的饋電回路

依據某市地鐵的低壓主配電圖紙，原設計是進線柜，有源濾波柜和母聯柜都是采用固定柜，而所有饋電采用抽屜柜，包含部分400A或630 A的大電流的饋電回路。

①對于400A或630 A的大電流的饋電回路采用抽屜式功能單元，模數高，體積大，重量大，導致一個人難以插拔抽屜單元，有抽屜跌落的可能性。

②由于模數高，安裝密度低，需要占用較多的柜體，占用更多的空間和成本;1.3由于重量大，插拔時，為了抽屜端子與垂直排正常接觸，需要快速撞擊式插入抽屜，這樣勢必對垂直排造成磨損。

基于以上原因，在技術聯絡會上，與用戶和設計院達成了一致意見，把400 A和630 A的饋電回路改為配插拔式開關的固定柜，而其他饋電回路保留為抽屜柜。

3.1 照明柜

地鐵的照明回路的設計，是不符合開關柜的正常結構。

該DF1柜內有主進開關，同時17個回路，其中有16個半模抽屜。如果按照原圖生產柜體，那么柜體結構設計，嚴重非標，半模抽屜造價昂貴，體積太小，也不方便維護。經過多次討論后，以可靠性為先，盡量減少非標制作柜體，把照明柜改為配插拔式開關的固定柜，而且全部是整模功能單元，方便維護。增加一面柜體，但是總體成本未增加，反而減少。

在低壓電氣系統中，低壓成套由各種低壓電器組成，低壓元器件的性能對低壓成套起到至關重要的作用。發電設備發出的電能中有80 %以上是通過低壓電器分配后使用的，相應的低壓成套在分配電領域具有非常重要的作用。通過學習國外低壓成套發展的技術和成功經驗，或通過取得國外品牌柜的授權生產，國內成套廠生產能力和深化設計能力大大加強。隨著用戶和設計院對低壓成套越來越了解，特別是地鐵行業設計院對低壓成套技術深入了解，特別是對配插拔式開關的固定柜的認可和應用，使得配插拔式開關的固定柜越來越使用得廣泛。配插拔式開關的固定柜具有安全可靠，經濟適用和方便維護等特點，可以很好地讓低壓成套滿足用戶的需求。

參考文獻

[1] 馬學鋼.低壓配電柜在沈陽地鐵二號線上的應用[J].科技與企業，2013（2）：320.