低壓配電柜的開發與應用探討

馮欽玉

（南京大全電氣有限公司， 江蘇 南京 211100）

引言

在當前科學技術的發展下，低壓配電柜應用成為智能電氣系統發展趨勢。鑒于此，低壓配電柜得到了快速發展，為實現電氣系統的穩定程度和可靠性提供了技術途徑。當前工業化生產趨向自動化，這就需要低壓電氣控制系統予以支持，而低壓配電柜的出現推動了這一技術的發展，從而不斷滿足智能自動化生產需求。當然隨著需求的不斷提升，相應的技術需要不斷創新。因此立足于當前發展概況，進行科學有效的開發和應用，以推動低壓配電柜技術的發展則顯得相當關鍵[1]。

1 低壓配電柜發展概述

作為一類關鍵性設備，我國自20 世紀80 年初期開始進行技術引進和生產，并在柜體設計、設備故障電弧防護能力、加工工藝、開關設備智能化等方面進行研究創新，并獲得相應的突破和進展。20 世紀90年代后期，我國很多企業開始進行自主設計，并采用集成化手段進行集成化、智能化設計。具體而言，在加工工藝上，實現了母線系統的異型化設計，從而有效實現了相關電氣參數的優化條件、連接方式簡化以及溫度控制等。ABB 公司的ArTu K 開關柜采用了該構型的母線系統實現了設備系統穩定性的提升。此外異型設計有助于在配置該配電柜的過程中能夠可塑化設計，提升整個配電柜的抗彎強度，從而能夠以更加靈活的連接方式來對線路進行簡化設計[2]。

2 基本設計原則

2.1 堅持安全、環保原則

安全、環保性是低壓配電柜設計的基本原則。針對低壓配電柜設計工序安全性而言，首先需要確定低壓配電柜設計工序中自動化控制技術的具體用途，以及控制系統使用要求，確保所設計的控制系統在安全裕度范圍內。而低壓配電柜設計工序節能優化設計的宗旨就是環保、節能以及安全，將節能、環保、安全三者有機結合必將低壓配電柜設計發展的趨勢，因此需要切實做好安全、環保原則，以此優化應用局面，提升低壓配電柜的實際應用價值[3]。

2.2 減少無關損耗原則

在整個設備的應用中，首先要求設備系統的合理性和科學性。這要求相關人員須做好各環節設備、系統的核查，并進行優化替代處理。確保低壓配電柜設計中滿足基本要求的前提下最大化地節省不必要的能源損耗，最大可能地降低能源損耗問題，以此實現低壓配電柜的優化設計。

3 低壓配電柜的開發與設計

3.1 柜體結構設計

成套配電設備的框架結構是研發項目的基礎。高強度的框架結構為配電柜在惡劣的環境下工作提供了可能性。如何制造出具有自主知識產權的高強度的框架結構是研發所面臨的重要問題之一。而結構件的模塊化、標準化，優化結構設計配合專業化的生產模式是開發的主要工作。

基于“大橫梁+C 型立柱”的拼裝式框架結構，研制新型柜體框架結構，包括：“多折邊C 型立柱+三通連接件”的框架結構、“異形無縫方鋼管+三通連接件”的框架結構、“異型材+ 三通連接件”的框架結構等。

折邊/型材：采用多折邊技術，C 型折邊/9 折邊/16 折邊，綜合生產制造能力、加工設備能力驗證是否能滿足，做到低鈑材用量、高機械強度；對各類型的框架結構進行仿真模擬，計算結構強度數據。

拼裝方式：采用三通連接器自攻螺絲固定或者焊接，配合模數化安裝孔，結構強度高，標準化程度高，安裝方便、快捷，既保證了框架的垂直度，同時提高開關柜整體的結構強度和抗震性能。

3.2 母線系統開發

母線連接結構是低壓配電設備的紐帶，是成套設備的重要組成部分，它決定了低壓開關成套設備的電氣參數、進出線方式、連接方式和柜體溫升。母線系統的優劣直接影響到配電系統的性能。

在自主開發的“C”型母線系統的基礎上，研制一款結構新穎、高表面積、高散熱、高載流量、符合用戶習慣的新型母線系統。如：正反“雙面C”型排，可同時用于前后搭接、“品”字型排，可實現前、后、下三面搭接等。新型包括：

1）主母排及垂直排的形式：研發設計異形排，其機械強度高、散熱性能好、載流量大，制造成本低，同時其他廠商難以模仿。對其載流量需進行計算分析，并進行試驗驗證?？紤]不同電流等級組合的方便性，計算分析截面、成本，通過仿真確定最優性價比。

2）銅排搭接方式及長度：采用非滿搭接（滿搭接為搭接面長度為銅排的寬度），對國內外相關標準進行研究，通過仿真計算、分析，制定銅排搭接的優化方案，確定搭接長度，降低制造成本。

3）母排固定排夾：設計排夾結構能夠實現模塊化組合，滿足不同電流等級的通用性要求；通過計算，分析固定件不同間距對母排動、熱穩定及短時耐受電流的影響；研究母排固定件防燃弧措施及弧根處理方式，并進行測試。

3.3 保護接地系統設計

接地保護系統是提升低壓配電柜穩定運行的關鍵業務功能模塊，其關系到是否能夠迅速度實現接地保護，以降低接地故障對整體低壓配電柜內部線路系統帶來的損害等業務功能。根據這一需求在設計這一環節的過程，可采用如下方式：

1）通過采用測量級電流互感器來有效提高保護功能啟動的閾值測量精度；

2）直接采用負序電流保護，并適當提高整定值，消除負載不平衡的影響;

3）降低故障分量的整定值，以滿足絕緣突然擊穿時的保護動作。

在整個設計過程中，需做好保護裝置的啟動檢測精度，以啟動效率，降低誤判、漏判概率，從而最大程度上提升保護功能動作精度和效率，從而為整個設備系統穩定運行提供可靠支持。

3.4 標準化及模塊化設計

低壓柜的結構設計，通常跟用戶的具體要求有關。其中對柜體的結構進行調整的情況較多，勢必造成研發及制造成本的提高，且根據對每位用戶的需求單獨設計，也不利于低壓柜的批量生產。針對這一狀況，在低壓柜的設計過程中，追求標準化、模塊化設計則是關鍵之舉，即采用機械接口、可模塊拼接式安裝的結構設計，通過不同零部件的組合拼裝，以滿足不同的用戶需求，進而實現較高的通用性。而在生產過程中，僅需設計與制造各模塊化零部件，并可實現批量化生產，以降低制造成本。通常而言，模塊化的設計主要體現在柜體結構的模塊化，如固定柜向抽屜柜設計的轉移，另外，還體現在各個組成結構的模塊化設計，如柜體主框架、安裝板、橫梁和支件等安裝孔的模塊化與標準化設計等。

4 低壓配電柜發展趨勢

4.1 配電系統智能化控制

對于低壓配電柜而言，所涵蓋的大部分電氣元件均實現了智能化和制動控制。這些業務功能的實現主要歸功于微電子技術、計算機技術、工業互聯網技術等高新技術同傳統的配電柜技術的有機融合，由此實現了整體配電系統設備可靠性提升。從當前低壓配電柜的配電系統的發展來看，配電系統將配備遙測、遙控、遙調以及遙訊等以“四遙”著稱的功能體系。當然隨著現場總線技術的采用，低壓配電系統整體配電效果得以顯著提升，并且趨向低功耗發展。此外，信息技術的采用使得遠程操控成為可能，極大地提升了系統運維的便捷性，同時也在一定程度上削減了運維成本。

4.2 低壓配電柜新型環保材料應用

節能環保是當前我國大力提倡的重要政策，致力于該政策是實現碳中和的關鍵，也是我國現代化工業和社會發展的必由之路。對此提升低壓配電柜的環保性不僅僅各大生產廠商追求的目標，同時也是政策之使然。在此節能環保意識不斷提升的今天，很多廠家根據國家要求在低壓配電柜中引入新型環保材料。例如，ABB 公司在MNS 低壓配電柜的生產中，除了采用覆鋁鋅柜架外，同時將具有導電率較高的銅母排應用其中，并且配上了熱縮套管，實現了安全性能的提升。為了降低氟利昂和鹵素燃燒導致的污染，在使用的塑膠材料中不含上述有害化學物質，從而以實現環保的基本要求。

5 結語

低壓配電柜作為重要的電力系統設備單元，對電力系統的穩定運行有著關鍵促進作用。隨著新一輪經濟的持續快速增長，電力負荷的需求也迅猛增長，為了提高電力終端電能使用的方便性、靈活性和可靠性，低壓配電柜開發以及應用日顯重要。