基于魚骨圖和層次分析法的小型化低壓開關柜溫升影響因素研究

馬曉娟 張明明 梁忠生 鄭志廣

基于魚骨圖和層次分析法的小型化低壓開關柜溫升影響因素研究

馬曉娟 張明明 梁忠生 鄭志廣

（庫柏（寧波）電氣有限公司，浙江 寧波 315336）

低壓開關柜在實際運行中產生的溫升直接影響開關柜的安全性能和使用壽命。對于結構緊湊的小型化低壓開關柜而言，溫升性能顯得尤為重要。本文以Edison LSN小型化進線柜為研究對象，利用魚骨圖定性分析影響低壓開關柜溫升的各種因素，再利用層次分析法（AHP）計算各影響因素的指標權重，以確定影響低壓開關柜溫升的關鍵原因，并進一步采取有效處理措施，使低壓開關柜的溫升不僅能滿足國家標準的溫升極限，還能留有裕度。

小型化；低壓開關柜；溫升；魚骨圖；層次分析法（AHP）

0 引言

低壓配電系統中，低壓開關柜向著高度集成化、小型化、標準化、智能化的方向快速發展，作為低壓開關柜的一個重要技術指標，溫升性能直接影響產品的質量和壽命。

開關柜結構緊湊、高防護等級、高集成化的技術要求致使其溫升不易滿足國家標準和企業標準的溫升極限值要求。溫升超標會造成設備老化、絕緣性能降低、供電中斷及一次設備起火甚至爆炸等嚴重事故[1-2]。因此，對小型化低壓開關柜的溫升影響因素進行研究，針對性地進行整柜結構設計，提升整柜通風散熱性能，對延長產品的使用壽命，保證配電系統安全穩定運行，有至關重要的意義。

本文以Edison LSN進線柜為研究對象，在利用魚骨圖分析法定性地分析出小型化低壓開關柜的溫升影響因素的前提下，結合層次分析法（analytic hierarchy process, AHP）計算各影響因素的指標權重，明確致使小型化低壓開關柜溫升偏高的主要原因，進而針對性地采取處理措施，降低開關柜的溫升。

經實際樣柜生產與試驗測試，采用魚骨圖分析法與層次分析法相結合的方法有助于產品設計開發人員針對性地研究影響低壓開關柜溫升的主要因素，并給出有效改善開關柜溫升狀況的解決方案。

1 小型化低壓開關柜的溫升

低壓開關柜的溫升主要由其正常工作條件下的發熱情況和散熱情況綜合決定，具體是指開關柜在規定工作條件下，柜內各部件與周圍環境溫度的差值。溫升用公式表示為

將低壓開關柜的溫升值加上環境溫度就是最高工作溫度，該數值不能超過材料的允許極限值。低壓開關柜的溫升值不能超過GB/T 7251.1—2013中表6給出的溫升極限值[3]。

2 溫升影響因素的魚骨圖分析

針對小型化低壓開關柜來說，其結構相對緊湊、體積偏小，導致柜內空間小、元器件和導電體聚集，致使整柜的發熱量大，散熱效果不佳，溫升難以滿足要求。故分析小型化低壓開關柜的溫升影響因素，有助于產品的設計開發人員有側重點地采取降溫措施。

2.1 魚骨圖

魚骨圖是日本管理大師石川馨先生所提出的一種把握結果（特性）與原因（影響特性的要因）的因果分析法，又名“石川圖”。在解決問題時，通常采用頭腦風暴法找出可能的因素，且將這些因素整理成層次分明、條理清楚的特性要因圖，因其形狀酷似魚骨，稱為“魚骨圖”。

魚骨圖具備直觀性、邏輯性，可快速找出解決問題的根本原因，廣泛用于分析社會、工業、生活等各領域的問題[4-6]。

2.2 溫升影響因素的魚骨圖分析步驟

運用魚骨圖分析小型化低壓開關柜的溫升影響因素主要從人員、機器、物料、方法、環境五方面進行，其具體步驟如下：

1）明確需要解決的問題特性，把問題寫在魚骨的魚頭上，選擇主骨的層別方法。

2）使用頭腦風暴法找出所有可能的影響因素。

3）將找出的所有要素進行歸類、整理，明確其從屬關系，并在魚骨上標出。

4）確定最有可能的原因。

5）繪制完整的魚骨圖。

結合相關技術文獻[7-10]及樣柜生產制作、實際使用過程中的經驗評估，可初步確定小型化低壓開關柜溫升影響因素主要集中在原材料問題、試驗設備、試驗人員、外界環境、工藝制作及結構設計六個方面，其魚骨圖分布如圖1所示。

圖1 小型化低壓開關柜溫升影響因素魚骨圖

3 基于層次分析法的開關柜溫升影響因素評估

3.1 層次分析法

層次分析法最早是由美國運籌學家T. L. Saaty提出的一種多準則評價方法。該方法適用于具有分層交錯評價指標的復雜問題目標系統的綜合評估，首先將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將待評估的對象劃分為多個目標或準則，進而分解為多指標（或準則、約束）的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序（權數）和總排序，獲取各指標權重，繼而獲得綜合評價結果[11-12]。

AHP的基本計算步驟如下：

1）分析系統中各因素之間的關系，建立系統的遞階層次分析模型。

2）構造判斷矩陣。

3）由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權重，并進行一致性檢驗。

4）權重排序，確定最終評估結果。

3.2 開關柜溫升影響因素的層次結構模型

根據圖1小型化低壓開關柜溫升影響因素魚骨圖構造AHP模型，整個評價體系模型可根據魚骨圖的形態分為3個層次：魚頭視為最高層目標層G，是對開關柜溫升影響因素的整體評價；中間層B為準則層，包括試驗人員、試驗設備、原材料、結構設計、工藝制作及外界環境共6個二級指標；最下層為方案層C，包括C1C20共20個影響溫升的三級指標。小型化低壓開關柜溫升影響因素層次分析模型如圖2所示。

3.3 構造判斷矩陣

構造判斷矩陣前，首先需要對每個層次的開關柜溫升影響因素的重要性進行兩兩對比并計分，同層指標對上一層指標的重要性按照1～9分值進行打分。判斷矩陣標度及含義說明見表1。

圖2 小型化低壓開關柜溫升影響因素層次分析模型

表1 判斷矩陣標度及含義說明

根據以上標度的規則，通過低壓成套從業專家組的新產品開發及工程項目實踐經驗總結，進行綜合分析評定，對同層因素兩兩比較，得到判斷矩陣見表2～表8。

表2 開關柜溫升影響因素判斷矩陣

表3 試驗人員指標判斷矩陣

表4 試驗設備指標判斷矩陣

表5 原材料指標判斷矩陣

表6 結構設計指標判斷矩陣

表7 工藝制作指標判斷矩陣

表8 外界環境指標判斷矩陣

根據表2～表8可得，G、B1、B2、B3、B4、B5、B6的判斷矩陣分別如式（2）～式（8）所示。

（6）

3.4 指標權重計算及一致性檢驗

由每個階判斷矩陣計算權重的過程如下：

1）計算判斷矩陣的每行中各個元素a乘積。

2）依據式（10）計算次方根。

4）依據式（12）計算判斷矩陣的最大特征值。

5）依據式（13）計算一致性指標CI。

6）依據式（14）計算一致性比率CR。

表9 平均隨機一致性指標

7）根據各層次指標的權重合算總權重，然后進行排序。

3.5 目標層和準則層的權重和排序

1）由本文3.4節可計算出低壓開關柜溫升影響因素權重見表10。

表10 低壓開關柜溫升影響因素權重

故通過計算可以判定判斷矩陣具有令人滿意的一致性，所以B1、B2、B3、B4、B5和B6的權重分別為0.024 9、0.031 3、0.417 5、0.315 2、0.162 6和0.048 4。

2）同理，可推算出試驗人員B1、試驗設備B2、原材料B3、結構設計B4、工藝制作B5及外界環境B6六個指標權重分別見表11～表16。

表11 試驗人員指標權重

表12 試驗設備指標權重

表13 原材料指標權重

表14 結構設計指標權重

表15 工藝制作指標權重

表16 外界環境指標權重

3.6 各級指標權重排序

小型化低壓開關柜溫升影響因素各層指標權重及排序見表17。

表17 小型化低壓開關柜溫升影響因素各層指標權重及排序

表17中，方案層每個影響因素的綜合權重由其每個影響因素的權重與上一級準則層對應影響因素的權重相乘得到，后對綜合權重進行排序。

由表17可知，小型化低壓開關柜溫升影響因素中排名前5位的是元器件質量、柜體通風散熱、銅排規格、銅排制作及柜體防護等級，五者的總權重接近0.7。因此，降低小型化低壓開關柜的溫升應主要從這五個方面著手。如首先要保證安裝在柜體內的空氣斷路器、塑殼斷路器等元器件的質量要達標。選擇的元器件各項技術性能指標必須要滿足甚至優于行業標準、國家標準。溫升試驗一方面考核柜體結構設計，更重要的是考核元器件。

柜體的通風散熱性能越好，柜內的溫升越低。在進行柜體設計時，合理地設置從下而上的散熱風道，改善對流散熱環境，以提升柜體的散熱性能。

銅排規格決定了銅排的載流量，進而影響開關柜的溫升。柜內銅排規格偏小，溫升偏高；但若銅排規格偏大，溫升效果得以改善的同時，開關柜制造成本會偏高。因此，在選擇銅排時，應綜合考慮成本、載流量及銅排設計規范中規定的校正系數，一般建議依據變壓器對應額定電流按照1.1倍過載系數選擇滿足載流量的銅排。

銅排的制作工藝表現在銅排加工、折彎、表面處理與絕緣處理。通常情況下，銅排加工時，應圓邊處理且放大折彎半徑。除非特殊要求，表面處理方式一般采用鍍錫。為降低開關柜的溫升，絕緣處理可采用黑色熱縮套管。銅排搭接處可采用壓花和鍍銀處理，以減小銅排搭接面的接觸電阻、降低搭接面溫升。

4 溫升試驗研究

本文以一臺Edison LSN小型化500mm寬進線柜為研究對象。系統主母線額定電流為2 500A，柜體防護等級IP40。

4.1 樣柜實物

結合本文第3.6節的小型化低壓開關柜溫升影響因素權重排序結果，選擇主開關空氣斷路器型號為EZMX1—3200s C2500 3P，殼架等級電流為3 200A，額定工作電壓為AC 400V，額定電流為2 500A，抽屜式，3極，垂直樁頭；柜內三相銅排規格分別為TMY—2（10mm×100mm）。

柜體外殼及柜內隔板和安裝板上須設置一定數量的通風孔，保證柜體的通風散熱。銅排走向應遵循電氣原理，省排降本，且確保空氣斷路器樁頭處易散熱。柜內銅排整體豎直布局，且套黑色熱縮管。進線柜實物模型如圖3所示。

圖3 進線柜實物模型

4.2 定義溫升關鍵測試點

Edison LSN進線柜的溫升極限值不應超過GB/T 7251.1—2013中第9.2節的規定，且溫升關鍵測試布點依據表18執行。

表18 溫升關鍵測試點

4.3 柜體通風散熱設計方案

根據本文第3.6節的結論，為測試柜體通風散熱是否為影響小型化低壓開關柜溫升的重點影響因素，分別針對柜體頂部、柜體后門采取不同通風散熱的結構設計方案進行溫升測試數據的對比分析。其中，柜體頂部對應主母線的位置，采用黑色網孔板，進線銅排出柜頂處采用片狀模塑料（sheet molding compound, SMC）板，其余為封閉的冷軋鋼板。柜體后門采用單開門結構。

第一次溫升測試時，在柜后門的上、中、下部分別開設一定數量的矩形通風孔，且在通風孔內側安裝黑色網孔板。第二次溫升測試時，在柜后門的上、中、下部均開設一定數量的豎直方向分布的矩形通風孔，且在門內側安裝滿足IP4X等級的鐵絲網孔板。

4.4 溫升測試數據分析

為更直觀地反映柜體不同通風結構方案對整柜溫升的影響，將兩次測試的溫升數據繪制成圖，如圖4所示。

圖4 兩次溫升測試數據

從圖4可以看出，第二次的溫升測試數據明顯優于第一次的溫升測試數據，說明柜后門上、中、下部采用矩形通風孔豎直分布和IP4X等級鐵絲網板時，通風孔密度大，通風面積變大，散熱風道更暢。故柜體通風散熱性能得到提高，更有利于降低整柜的溫升。

5 結論

本文采用魚骨圖和層次分析法，先后從定性、定量角度分析小型化低壓開關柜溫升影響因素及其指標權重，進而排序確定關鍵因素，有助于產品設計開發人員針對性地采取有效處理措施，降低開關柜的溫升。

同時，以一臺Edison LSN小型化500mm寬進線柜為研究對象，通過實際溫升測試案例，測試整柜在不同通風結構方案下的溫升情況，對比分析實際溫升數據，可明確柜體的通風散熱結構設計是除元器件質量以外，影響小型化低壓開關柜溫升的關鍵因素，為設計開發人員明確了降低開關柜溫升的結構優化方向。

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Research on influence factors of temperature rise of miniaturized low-voltage switchgear based on fishbone diagram and analytic hierarchy process

MA Xiaojuan ZHANG Mingming LIANG Zhongsheng ZHENG Zhiguang

(Cooper (Ningbo) Electric Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315336)

The temperature rise of the low-voltage switchgear in practical operation directly affects the safety performance and service life cycle of the switchgear. For compact and miniaturized low-voltage switchgear, the performance of temperature rise is even more prominent. In this paper, taking Edison LSN miniaturized incoming cabinet as the research object, the various factors affecting the temperature rise of low-voltage switchgear are analyzed by fishbone diagram, and then the analytic hierarchy process (AHP) is used to calculate the index weight of each influencing factor to determine the key reasons affecting the temperature rise value of low-voltage switchgear, and further effective measures are taken to make the temperature rise of low-voltage switchgear not only meet the temperature rise limit stipulated by national standards, but also leave a margin.

miniaturization; low-voltage switchgear; temperature rise; fishbone diagram; analytic hierarchy process (AHP)

2022-10-27

2022-11-09

馬曉娟（1986—），女，河南平頂山人，碩士，中級電氣工程師，主要從事低壓成套設計及微電網能量優化運行控制工作。