一種低壓便攜式旁路開關柜的設計方案

深圳供電局有限公司 柴二亮 樊 曄 符湛茹 廣東工業大學自動化學院 陳偉琛 深圳帶電科技發展有限公司 繆寶鋒

能源供給問題往往伴隨著城市的快速發展而逐漸出現，其中以配電網的問題尤為突出。其主要問題集中在兩個方面：一是配電線路的移改或者設備故障；二是線路越來越復雜導致的停電檢修次數增多。這些日益顯現的問題給用戶帶來的影響越來越大[1]。另外，維修時間的不確定使得地方區域難以保持供電的連續性。這些問題會給用戶造成極大的影響，嚴重擾亂普通居民的日常生活，發電和輸電等電力企業則會因停電導致潮流波動大，電網的穩定性下降，同時也造成能源浪費。在電力市場環境下，旁路帶電作業就是指在正常供電線路上旁路并接轉供線路，由轉供線路臨時替代正常供電線路供電，從而在對用戶不間斷供電的情況下實現對正常供電線路的斷電檢修[2]。期間可能使用旁路電纜車、移動箱變車（或稱供電負荷轉移車）、負荷開關車、旁路工具車、絕緣工具車、絕緣斗臂車等專用車輛[3]。這種作業方式和傳統的斷電檢修方式比起來，不僅完成了故障診斷的任務，而且在檢修供電線路時不會影響到用戶的正常用電，提高了供電的可靠性，是目前國內外最先進的帶電作業方式之一[4]。

由于許多城市低壓配電房在地下負層，而且低壓配電室所處環境周圍障礙多，空間小，需要旁路低壓開關柜時會出現負荷轉移車進入難、轉移鏈接線路施工難，施工影響大，安全性低等問題[5]。低壓移動便攜式旁路開關柜較好地解決了旁路作業工作中配電現場施工效率低、難度大、安全性低等問題。采用移動便攜式旁路開關柜，加上智能化數據采集裝置，有效解決低壓柜旁路作業問題，同時提升應急搶修線路工作效率，提升應急搶修線路工作服務自質量，實現應急搶修線路工作服務完成監督任務。配電網中應急搶修線路的作業方法一般分為四種[6]：傳統作業法、帶電作業法、移動電源作業法、旁路作業法。

旁路負荷轉移車的出現使得帶電更換或檢修變壓器的操作成為現實，解決了更換或檢修變壓器的傳統方法只有斷電才能操作的問題，從而最大程度地降低了停電對用戶造成的損失和不便。該功能實施的原理步驟為：首先把旁路負荷轉移車與故障設備（如變壓器）并列運行；接著把故障設備從電網斷開，退出運行；這時，原故障設備供電的線路就完全依靠旁路負荷轉移車來進行供電。當故障設備的故障被排除后，再讓已修復的正常設備與旁路負荷轉移車再次并列運行，隨后旁路負荷轉移車則從電網斷開，退出運行，恢復故障線路用戶的正常供電。但在低壓側沒有單獨的旁路開關柜來實現在城市化中隱蔽在建筑內低壓配電房中的開關柜進行檢修旁路。

1 低壓便攜式旁路開關柜的設計

1.1 開關柜結構設計

低壓旁路開關柜是帶電作業負荷轉移重要組成部分，在帶電作業工作中，能否實現對用戶的供電持續穩定由開關柜的性能來決定。柜體作為低壓旁路開關柜的機械骨架，是低壓旁路開關柜制造的基礎，因此開關柜柜體的結構工藝就成了基礎的基礎。由于低壓旁路開關柜使用的特殊性，需考慮設備的安全性、耐久性、靈活性、快捷性。綜合考慮其設計具體如下：

在軟件CATIA 上設計低壓旁路開關柜的柜體結構，旁路開關柜柜體由兩部分構成，分別為開關柜外部的柜體骨架和內部用于的支撐元件，其結構強度要滿足便攜移動的工作需求。

開關柜的柜體結構主要由六大部分組成，從上到下分別為：安裝吊環、縱向支架、后擋板、立柱、橫向支架和橫梁，四周配以擋板組合而成開關柜，外地下加上可移動滾輪，用鉚釘把開關柜框架的頂部、立柱、底座橫向支架和橫梁連接起來。這種結構的開關柜不僅體積較小，而且強度和剛度較強，符合便攜的設計要求。

其次對低壓便攜移動式旁路開關柜柜體結構參數確定。開關柜柜體必須有足夠的強度來滿足安裝使用的要求，這就需要對開關柜柜體的結構參數進行處理，要具體的量化計算和實際實驗，最后從計算和實驗結果中找出柜體結構設計的最優解作為設計的依據。低壓便攜移動式旁路開關柜體的機械以及柜體板材等各種指標必須符合國家相關標準的要求。低壓便攜移動式旁路開關柜柜體骨架結構可以采用低碳鋼與鋁合金材料，這種材料不僅有足夠的強度來滿足開關柜的使用，而且原料低廉，易于從市場上獲取。

在軟件ANSYS Workbench 上建立低壓旁路開關柜結構有限元模型，以便于進行開關柜柜體結構的靜力學分析，由此得到開關柜柜體在不同工作狀態下的等效應力分布情況以判斷柜體是否存在變形的狀況。此外，還要對開關柜在移動過程中可能出現的各種震動狀態進行研究，計算出較常見的幾種應用場景的震動頻率，提高其抗震性能。

本文運用有限元分析法，對前期設計中的開關柜全面地分析了開關柜的強度等性能指標，這樣才能同時兼顧開關柜柜體結構的可靠性和材料是否不足或冗余的經濟性。

首先是對低壓便攜移動式旁路開關柜的柜體進行有限元建模，把開關柜的柜體模型離散化為有限元的計算模型，進行有限元分析。所以，對力學特性不一樣的開關柜柜體結構，要選擇與之相匹配的有限元單位，再用多次的仿真實驗計算出開關柜較為真實的力學特性。在多次的仿真與實驗的基礎上，簡化開關柜柜體的有限元分析模型。例如：某些連接件的復雜圓弧可以適當地變為簡單的直線，忽略對柜體影響微小的因素。總之，在滿足分析的精度前提下盡可能地對開關柜柜體模型進行簡化。

其次模型導入。在CATIA 軟件中進行開關柜柜體的幾何實體建模，然后保存為IGES 格式文件，啟動ANSYS Workbench，從菜單File_import_IGES 選擇文件將開關柜柜體的幾何建模導入有限元軟件ANSYS 中，再計算工況和邊界條件，根據低壓便攜移動式旁路開關柜柜體后部上端斷路器、采集器以及柜門，質量單元mass21通過剛性單元連接到開關柜相應承載部位，采用線彈性方法進行分析計算，得出其抗震性能。

在響應曲面優化的基礎上，對旁路便攜開關柜柜體的板厚參數進行優化。同時，基于DOE 實驗設計來選取合適的開關柜工作狀態進行分析。低壓便攜移動式旁路開關柜柜體主要材質為鋁合金折彎件，即把厚度為3mm 或4mm 的鋁合金板用鉚釘連接起來。選擇開關柜柜體鋁合金板厚度作為優化量。這是對低壓便攜移動式旁路開關柜進行優化設計的重要一環。

對開關柜的接頭設計上，對于不同的類型需要具體分析、計算、論證和實驗，確保其電氣性能滿足開關柜的需要。首先，根據開關柜的類型不同，需要具體分析開關柜的接頭，對柜體進行碰撞試驗、絕緣試驗以及IP 等級防護試驗，實現對該結構的電氣性能測試和設備安全性判斷。其次低壓便攜移動式旁路開關柜在實際存放過程中，大多數是暴露在戶外無保護的環境中，這使得終端和接頭部位的電場發生嚴重畸變。此外，由于旁路低壓便攜移動式旁路開關柜需要經常使用，接頭與終端的多次快速連接會使接頭因磨損而產生形狀跟尺寸的變化。因此，根據開關柜的實際需要，選擇合適的電纜連接頭也是開關柜設計的重要一環。

1.2 開關柜的集成化通訊與數據采集技術

針對低壓便攜移動式旁路開關柜使用情況以及設備數據采集功能，對開關柜現場數據采集系統在功能、監測點范圍、采集內容、安全性、實時性等提出了更高的要求。低壓便攜移動式旁路開關柜現場數據采集系統，采用了分層設計、多信道接入、集群技術。研究以前置通信服務為核心，實現對旁路開關柜電現場數據完整、準確、實時的采集功能，為現場旁路開關柜電氣情況、全生命周期等管理功能提供數據支持。具體如下：

研究可用于低壓便攜移動式旁路開關柜在線監測的數據采集系統。該系統由時分割乘法器電路和高性能處理器來分別測量供電線路的精確功率和數據處理。系統具有高精度和高速率的實時數據采集功能，能夠快速精確地采集瞬時電壓、電流量、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、電壓電流的相位、相位差，在線時間，總能量等重要數據。

首先設計時分割乘法器電路，包括壓控占空比電路、正負開關電路、濾波電路以及運算分析，設計高精度AD 轉換電路以及相位差測量電路，最后設計處理器及其外圍電路。數據采集系統可以使用小型嵌入式網絡協議（LwIP），通過用戶人機接口界面（GUI）實現低壓便攜移動式旁路開關柜的人機交互。

研究低壓便攜移動式旁路開關柜集成化通訊，提供各個低壓移動便攜式旁路開關柜電力現場實時情況監測的網絡系統，實現對各類高層應用提供透明的現場數據采集與監控服務。低壓便攜移動式旁路開關柜里數據采集采用無線專網或數據網實現。由于現場環境無法確定以及信號覆蓋弱等特點，傳輸網絡的優化已經成為主要數據傳輸主要問題。因此，要通過優化網絡傳輸介質來保證傳輸質量的穩定性，同時也要兼顧網絡故障問題處理的優化。

1.3開關柜的數字化信息管理系統

低壓便攜移動式旁路開關柜數字化信息集成管理系統通過在低壓便攜移動式低壓旁路開關柜中安裝的數據采集單元，完成對電流、電壓、有功功率、無功功率、柜內溫度、在線時間、總電能等數據采集統計，實現對便攜移動低壓旁路開關柜全天候監測以及精益安全管理。便攜移動低壓旁路開關柜數字化信息管理系統基本功能包括：

采集層：監測數據層主要接受和解析便攜移動式低壓旁路開關柜內智能數據采集裝置上傳的數據，主要包括電流、電壓、有功功率、無功功率、柜內溫度、在線時間、總電能等。

分析層：分析層為該系統的核心，該層主要作用為分析監測數據和監測數據分析層與數據庫的交互。表示層：表示層的主要作用為向用戶提供可視化界面，方便用戶操作。該層要分為以下模塊：

（1）可視化監測模塊：以統計、圖表等形式直觀的向用戶呈現當前網絡下的是試運行狀態和歷史數據分析結果，實現對便攜移動式旁路開關柜的數字化監測。（2）故障預警模塊：以圖形化的方式來為用戶提供預警內容報告，提醒用戶設備是否出現故障。（3）設備管理模塊：通過設備管理模塊，可實現對設備在線狀態、使用次數、工作位置、以及設備全生命周期等數據進行查詢、管理，用戶可第一時間了解設備使用情況，側面可反映使用設備工作次數以及工作時間，對帶電作業工作結算起到輔助作用。

通過對低壓便攜移動式旁路開關柜電氣性能、結構、以及柜內數據采集傳輸等研究工作。研制的低壓便攜移動式旁路開關柜樣機具備靈活移動、接入快捷、電氣性能優良、數據傳輸穩定等性能。

2 結語

本文通過低壓便攜移動式旁路開關柜電氣性能、結構、以及柜內數據采集傳輸等研究工作，完成了低壓便攜移動式旁路開關柜結構研制工作。通過低壓便攜移動式旁路開關柜電氣性能、結構、以及柜內數據采集傳輸等研究工作，研制低壓便攜移動式旁路開關柜樣機，使得低壓便攜移動式旁路開關柜樣機具備滿足以下條件：靈活移動、接入快捷、電氣性能優良、數據傳輸穩定等性能。

低壓便攜移動式旁路開關柜實用化要求高，對于設備電氣安全性等要求嚴格，需要廣泛收集國內外帶電作業、電源旁路等相關資料，并結合典型的場景特點對相關應用技術性能進行評估。在設備研發階段、需要充分考慮設備安裝現場地理環境、網絡環境等因素，以滿足實用化要求。由于便攜移動旁路開關柜便攜、靈活等特性，需要做到再長期運輸以及移動過程中，不影響設備的電氣性能。同時還需要考慮到低壓便攜移動式旁路開關柜全生命周期管理，實現對旁路開關柜實用化監測。