配電柜高效節(jié)能的優(yōu)化設(shè)計

◎彭江鷹

一、配電柜的概述

電力配電有一級配電和二級配電，一級配電是動力配電，是把電能分配到不同地點的下級配電設(shè)備，二級配電是動力配電柜和電動機控制中心的統(tǒng)稱。在配電的各個環(huán)節(jié)需要的配電柜有隔離柜、進線柜、出線柜、母線聯(lián)絡(luò)柜、電容器柜、計量柜、GIS 柜等。

外部電源首先進入隔離柜，隔離柜沒有分?jǐn)嗪徒油ㄘ?fù)荷的能力，只是方便維修人員進行維護和檢修；經(jīng)過隔離柜后，進入進線柜，在進線柜接受電能，由進線柜中斷路器進行分?jǐn)嗪徒油ㄘ?fù)荷的控制；如果系統(tǒng)電源進線有兩路，且兩路互為備用時，需要通過母線聯(lián)絡(luò)柜將兩路電源的主母線進行聯(lián)通；PT柜、計量柜中安裝的電壓互感器、電流互感器以及計量裝置，檢測母線電壓、電流和實現(xiàn)保護功能；進線柜的旁邊安裝電容器柜，進行電網(wǎng)無功功率的補償或用電設(shè)備的功率因數(shù)提高；出線柜用來分配電能，母線匯集的電能通過出線柜輸送給變壓器或者其它用電設(shè)備、終端用戶。配電柜在分散負(fù)荷、回路較少的場合使用，一般我們看到配電柜都是安裝在比較隱蔽的角落。

配電柜內(nèi)通常配備斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、接觸器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕開關(guān)等控制設(shè)備，避雷器、熔斷器、熱繼電器、微機處理器、中間繼電器、時間繼電器等保護設(shè)備，電壓互感器、電流互感器、電壓表、電流表等計量電器，電容器等補償設(shè)備，另外還有PLC、變頻器、指示燈等。

二、配電柜運行中存在的問題

1.溫度升高。

按照國標(biāo)設(shè)計和制造的電氣設(shè)備正常運行時環(huán)境溫度上限值為≤40℃，配電柜中安裝的電氣設(shè)備，長時間運行的過程中產(chǎn)生大量的熱量，尤其變頻器產(chǎn)生的熱量更大，很容易使配電柜內(nèi)部的溫度達到并超過40℃。

2.積累灰塵。

配電柜內(nèi)電氣設(shè)備在運行過程中，因為工作特性產(chǎn)生電位差和靜電，將大氣環(huán)境中的灰塵、鹽分、金屬塵埃、油污、炭漬、潮氣等污染物吸附，吸附的塵埃微粒在配電柜內(nèi)形成堆積，使各設(shè)備無法正常散熱，導(dǎo)致配電柜內(nèi)溫度更加升高。

3.降低絕緣性能。

配電柜內(nèi)電氣設(shè)備上吸附的塵埃微粒形成塵埃膜電阻，極易造成電氣設(shè)備的絕緣強度降低，導(dǎo)致配電柜內(nèi)設(shè)備放電，易導(dǎo)致電弧事故；電氣設(shè)備在高溫下長期運行，導(dǎo)致電氣設(shè)備的線圈、引線等絕緣電阻降低、絕緣性能下降、泄漏電流增大，導(dǎo)電性增強，易導(dǎo)致短路事故。

4.造成電氣設(shè)備誤動或拒動。

溫度過高，會影響保護設(shè)備的穩(wěn)定性、動作的可靠性，造成保護設(shè)備誤動作，不能及時切斷故障。斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等機械結(jié)構(gòu)的電氣控制設(shè)備，設(shè)備上吸附的塵埃微粒極易造成機械結(jié)構(gòu)卡滯，造成執(zhí)行電氣操控命令時拒動。

5.造成控制系統(tǒng)失靈或故障。

配電柜內(nèi)的變頻器、控制器、PLC 等裝置中的電路板，工作時產(chǎn)生的電場吸附的塵埃微粒落在電路板上，一是對電子元器件的金屬引腳產(chǎn)生腐蝕，造成電路板控制失效；二是灰塵與濕氣混合會形成電阻網(wǎng)絡(luò)，造成控制電路失靈，或者會使電源短路燒壞保險。

6.溫度過高會影響計量的準(zhǔn)確性。

溫升和絕緣是電氣設(shè)備的兩個重要指標(biāo)，溫度每升高8℃，電氣設(shè)備壽命則降低一半，必將使配電柜內(nèi)電氣設(shè)備縮短使用壽命，不能正常工作，甚至燒毀。只有控制住溫升，就能有效避免絕緣性能下降，就能有效控制住電氣事故的發(fā)生。

三、配電柜的問題解決方式

基于上述配電柜在運行中存在的問題，問題的根源在于高溫和灰塵。散熱冷卻方式從技術(shù)層面上有三種：

1.閉環(huán)冷卻，配電柜外部空氣與配電柜內(nèi)部不進行對流，為配電柜安裝合適的機柜空調(diào)或者熱交換器，內(nèi)部循環(huán)制冷降溫。

2.開環(huán)冷卻，配電柜外部空氣與配電柜內(nèi)部進行對流，為配電柜安裝風(fēng)扇強迫對流進行散熱降溫。

3.自然冷卻，配電柜外部空氣與配電柜內(nèi)部進行對流，利用自然風(fēng)進行散熱降溫。

防塵的方式是設(shè)置過濾器阻擋塵埃的進入。

四、配電柜散熱防塵研究現(xiàn)狀分析

關(guān)于配電柜散熱防塵問題的研究，學(xué)者蔡云龍研究的一種具有除塵和散熱結(jié)構(gòu)的配電柜，采用收卷軸、升降管、氣泵和吸塵器進行配電柜的散熱和防塵。散熱風(fēng)機對配電箱體內(nèi)部進行吹風(fēng)散熱，收卷電機帶動收卷軸轉(zhuǎn)動的同時帶動升降管進行往復(fù)升降運動，氣泵對升降管的內(nèi)部鼓入空氣進行電氣元件除灰，同時吸塵器對箱體的內(nèi)部進行吸塵。

關(guān)于配電柜散熱防塵問題的研究，學(xué)者俞陽貞研究的防塵配電柜，采用彈性氣囊和氣缸進行配電柜的散熱和防塵。利用氣缸頂出時擠壓氣囊產(chǎn)生大量集中的氣體吹向配電柜中設(shè)備，即可散熱又可除塵。

關(guān)于配電柜散熱防塵問題的研究，新鄉(xiāng)市中州電器有限公司學(xué)者王長峰研究的一種可防塵水冷式配電柜，采用四組風(fēng)機與換熱組件進行配電柜的散熱和防塵，在閉環(huán)的氣流循環(huán)區(qū)域內(nèi)冷卻液吸收熱量以降溫，隔絕柜體外部空氣，防止外部空氣中的粉塵進入配電柜中。

關(guān)于配電柜散熱防塵問題的研究，蘇州依斯倍環(huán)保裝備科技有限公司的學(xué)者沈騫如[6]研究的熱交換電氣柜及其散熱裝置，在柜內(nèi)采用安裝風(fēng)機、換熱管、風(fēng)管和換熱源等散熱裝置進行柜內(nèi)的散熱和防塵。將風(fēng)機和換熱管安于風(fēng)管內(nèi)，風(fēng)機通向風(fēng)管，換熱管通向換熱源，風(fēng)管通向電氣柜，風(fēng)機循環(huán)將熱空氣抽吸并排除到風(fēng)管內(nèi)，經(jīng)換熱管降溫冷卻后通過風(fēng)管輸送回電氣柜內(nèi)。閉環(huán)冷卻方式，設(shè)備無需與外接接觸，起到防塵作用。

縱觀配電柜散熱防塵問題他人研究的狀況，散熱防塵做得很好，但是每一種散熱防塵都增加不少設(shè)備，設(shè)備在柜內(nèi)占空間，并且增加成本。為了解決散熱和除塵兩個根本問題，為了提高配電柜的高效節(jié)能，我將采用開環(huán)冷卻和自然冷卻相結(jié)合的方式進行散熱降溫，采用加防塵網(wǎng)的方式進行防塵，以低成本、高效率對配電柜進行優(yōu)化設(shè)計。

五、本方案配電柜的優(yōu)化設(shè)計

（一）配電柜優(yōu)化設(shè)計方案

1.增加兩個出風(fēng)口。采用百葉窗窗結(jié)構(gòu)設(shè)計，對稱開設(shè)在配電柜的左上側(cè)和右上側(cè)，每側(cè)開設(shè)四個出風(fēng)口。

2.增加兩個進風(fēng)口。采用百葉窗窗結(jié)構(gòu)設(shè)計，對稱開設(shè)在配電柜的左下側(cè)和右下側(cè)，每側(cè)開設(shè)四個進風(fēng)口。采用進風(fēng)口和出風(fēng)口間是上下垂直對應(yīng)，這樣可以引導(dǎo)氣流垂直通過配電柜內(nèi)，以確保自然風(fēng)對流順暢而提升冷卻效率。

3.增設(shè)兩個防塵網(wǎng)。在配電柜內(nèi)部的下側(cè)，且與兩個進風(fēng)口相對應(yīng)設(shè)置有兩組防塵網(wǎng)，在配電柜的下側(cè)且與防塵網(wǎng)相對應(yīng)的位置處開設(shè)有滑槽，在防塵網(wǎng)的外側(cè)設(shè)置有握把，防塵網(wǎng)從配電柜中可滑動并拆卸。

4.增設(shè)兩個散熱風(fēng)扇。在配電柜內(nèi)部的左上側(cè)、右上側(cè)分別設(shè)置兩個散熱風(fēng)扇，這兩個散熱風(fēng)扇是根據(jù)熱氣上升冷氣下沉的原理設(shè)計，柜內(nèi)產(chǎn)生的熱氣集中在頂部，采用頂部兩個散熱風(fēng)扇抽出方式使散熱效果更好；左下側(cè)和右下側(cè)分別設(shè)置兩個散熱風(fēng)扇，下側(cè)的第一散熱風(fēng)扇和第二散熱風(fēng)扇位于防塵網(wǎng)的水平線之上，防塵網(wǎng)可以有效阻擋散熱風(fēng)扇帶來的大量灰塵。采用四個散熱風(fēng)扇進行開環(huán)冷卻，使柜內(nèi)空氣與柜外空氣強迫對流，以達到柜內(nèi)很好的散熱降溫效果。散熱風(fēng)扇的選擇，根據(jù)每個配電柜內(nèi)安裝電氣設(shè)備運行時產(chǎn)生的熱量以及容許的溫升而選擇，選擇時首先計算配電柜內(nèi)所安裝電氣設(shè)備的總熱阻Rja：Rja=（Tjmax-Ta）／Pc，然后計算散熱風(fēng)扇熱阻 Rsa 或溫升ΔTsa：Rsa = Rja-Rtj-Rtc，ΔTsa=Rsa×Pc，根 據(jù) Rsa 或ΔTsa 和Pc 查散熱風(fēng)扇的散熱曲線（Rsa 曲線或ΔTsa 線），根據(jù)散熱曲線值小于計算值，找到Rsa 曲線對應(yīng)的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)速流經(jīng)散熱風(fēng)扇截面算出散熱風(fēng)扇流量，根據(jù)Rsa 曲線上風(fēng)速對應(yīng)的阻力壓降選擇散熱風(fēng)扇壓力工作點，選擇滿足流量和壓力工作點的風(fēng)扇。安裝散熱風(fēng)扇成本低，只需要在配電柜的頂部和下部分別開兩個方孔，用四個螺釘緊固散熱風(fēng)扇即可，安裝簡便。

5.增設(shè)無線溫濕度傳感器、報警燈和擴音器。在配電柜的內(nèi)部設(shè)置有無線溫濕度傳感器，配電柜本體基面的左上側(cè)安裝有報警燈，位于報警燈的右側(cè)安裝有擴音器。無線溫濕度傳感器進行監(jiān)測配電柜內(nèi)溫度和濕度，當(dāng)超過設(shè)定值時，使報警燈閃爍并使擴音器發(fā)出報警聲音。無線溫濕度傳感器體積小，在柜內(nèi)不占空間，同時無線溫濕度傳感器、報警燈和擴音器價格便宜，成本低。

（二）配電柜優(yōu)化設(shè)計圖

根據(jù)設(shè)計方案做出配電柜的正面圖（a）、側(cè)面圖（b）、背面圖（c）、散熱風(fēng)扇圖（d）、防塵網(wǎng)圖（e）如下：

六、本方案配電柜優(yōu)化設(shè)計思路

配電柜使用時，首先根據(jù)配電柜中電氣設(shè)備的正常工作環(huán)境參數(shù)，把配電柜內(nèi)部的無線溫濕度傳感器設(shè)置三個一定的值。

當(dāng)配電柜內(nèi)部的電氣設(shè)備開始運行時，內(nèi)部的無線溫濕度傳感器開始檢測配電柜內(nèi)的溫濕度，當(dāng)內(nèi)部的溫濕度超過第一個設(shè)定的值時，無線溫濕度傳感器使上、下兩個第一個散熱風(fēng)扇開始工作，對配電柜內(nèi)部進行散熱。

當(dāng)配電柜內(nèi)部的溫濕度超過第二個設(shè)定的值時，無線溫濕度傳感器使上、下第一個散熱風(fēng)扇和第二個散熱風(fēng)扇同時工作，同時對電柜內(nèi)進行散熱，配電柜內(nèi)散熱的效果更好，配電柜內(nèi)的電氣設(shè)備得到保護。兩組散熱風(fēng)扇，如果其中有一個損壞，另一個散熱風(fēng)扇仍然正常對配電柜內(nèi)部進行散熱，從而可以大大提高配電柜內(nèi)部使用的安全性和內(nèi)部元器件的使用壽命。同時，在散熱風(fēng)扇對配電柜內(nèi)部進行散熱同時，可以把位于散熱風(fēng)扇下方的防塵網(wǎng)外部的灰塵進行過濾，進一步保障配電柜內(nèi)部不會灰塵過多。

當(dāng)配電柜內(nèi)部的溫濕度超過第三個設(shè)定的值時，警報燈閃爍，擴音器報警，工作人員聽到報警聲，對內(nèi)部進行檢查?？梢韵葯z查防塵網(wǎng)上的灰塵是否過多，握住防塵網(wǎng)上的握把，向外抽拉防塵網(wǎng)進行拆卸，對防塵網(wǎng)進行清洗，清洗完之后再放回原處。

在平時的運行維護中應(yīng)該對防塵網(wǎng)進行定期清洗，報警燈和擴音器就是為了防止忘記對防塵網(wǎng)的定期清洗出現(xiàn)灰塵較多造成防塵網(wǎng)堵塞的一個提醒。當(dāng)防塵網(wǎng)被過多的塵埃堵塞造成配電柜內(nèi)溫度升高，超過第三個設(shè)定的值時，通過警報燈閃爍和擴音器報警，提醒工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題及時處理處理問題。

七、本方案配電柜優(yōu)化的實踐意義

1.通過設(shè)置的百葉窗自然冷卻散熱，無需增添設(shè)備，無需改變柜內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)，無需消耗電能，通過下進風(fēng)口和上出風(fēng)口的垂直對流，即可達到自然冷卻散熱效果，從而可以提高配電柜內(nèi)部使用的安全性和內(nèi)部元的使用的壽命，實現(xiàn)高效節(jié)能。

2.通過設(shè)置的上下兩組散熱風(fēng)扇，使電柜內(nèi)散熱的效果更好。在配電柜內(nèi)溫度較高時，通過無線溫濕度傳感器分別啟動第一、第二散熱風(fēng)扇對配電柜內(nèi)進行散熱，對電配電柜內(nèi)的電氣設(shè)備加以保護，從而可以提高配電柜內(nèi)部元件的使用的壽命，整體的實用性更高。

3.通過設(shè)置的可拆卸防塵網(wǎng)，在散熱風(fēng)扇對電柜內(nèi)部進行散熱時，可以把外部的灰塵進行過濾，從而電柜內(nèi)部不會因灰塵過多而影響元件的正常使用，且防塵網(wǎng)是可拆卸型的，當(dāng)防塵網(wǎng)過濾灰塵較多時，可以及時對防塵網(wǎng)進行拆卸清洗，從而不會影響散熱風(fēng)扇的正常運行，整體實用性更高。