3000 A三相四线低压配电控制柜的优化设计

邹常丰，张 莉

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

低压配电柜是输配电系统中的核心设备之一，在电力系统中起着非常关键的作用。电力系统的升级对低压控制柜提出了若干新的要求，所以配电柜日益向智能化、高分段、小型化、大容量发展。目前国内市场流行的控制柜主要有GGD系列、GCK系列、GCS 系列、MNS 系列、MCS 系列［1］，国际市场有法国施耐德电气有限公司的BLOKSET低压控制柜、德国西门子股份公司的Sivcon低压控制柜、瑞士ABB电器有限公司的MNS3低压控制柜等［2］。但价格相对较贵，所以，在保证实际需求基础上，本文对3000 A低压控制柜进行了结构优化设计。

1 主断路器的选取

低压断路器不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流［3］。目前市场上主要有三种型号的断路器:万能式短路器、塑料外壳式空气断路器、剩余电流动作断路器［4－5］。

DW系列额定电流相对较大，额定电压范围包含380 V三相交流电，动稳定性、热稳定性都很好，分断能力强，满足本设计要求。初选定DW15－3000型断路器，基本参数如下:额定工作电压380 V，额定绝缘电压690 V，额定频率50 Hz，额定冲击耐受电压12 kV，额定电流为3000 A，极限分断能力80 kA，使用分断能力100%，短时耐受电流80 kA/s，关合容量200 kA，分断类型Y。

2 柜体的框架及蒙皮设计

2.1 框架总体设计

柜体框架的宽为965 mm，高为2286 mm，深为1473 mm，其他具体结构尺寸如图1所示。尺寸均符合国际关于低压控制柜的标准。框架的杆件均由冲压加工，冲压可达到的公差等级为IT10—IT14(其中IT12及以下的公差等级属于未注公差)，本设计的公差等级为IT12，即为未注公差［6］。

图1 框架图Fig.1 Frame diagram

框架结构均采用3 mm厚冷轧钢冲压而成，框架之间及蒙皮与框架之间的链接均采用ST6.3自攻钉紧固链接，连接强度大、装配效率高，可以重新装配，具有可装配性［7］。根据 GB922－76，自攻钉连接的底孔设计为φ5.6，顶孔设计为φ7。底孔通过配钻的方式加工，降低了精度要求和加工难度，保证了可安装性。

2.2 框架主要钣金件设计

边框立杆为主要杆件，具体形状如图2所示。

图2 边框立杆零件图Fig.2 Frame vertical rod parts diagram

2.3 结构强度设计及校核

2.3.1 初选自攻钉并校核

整个控制柜均采用自攻钉连接，根据经验，初选ST6.3的自攻钉，对其剪切强度进行校核。

1)简化力学模型。假设载荷的重心在控制柜中心，即载荷均匀分布到左右两侧的承载螺钉上，每侧的自攻钉分别承受一半的载荷。

每个自攻钉上的平均剪切力为

每个自攻钉上的剪切应力为

危险自攻钉的剪切应力为

自攻钉的许用剪切应力为

安全系数为

2)杆件孔的挤压强度校核。同样应用上述力学模型，每个承载杆件上孔的挤压力等于螺钉的剪切力，计算得安全系数为综合考虑自攻钉的剪切强度和杆件上孔的挤压强度，系统的安全系数较小，即3.91。因初选结果合理，基本满足了结构的强度及标准化要求。

2.3.2 初选母线连接螺钉并校核

根据同类产品的设计经验，初选母线之间的连接螺钉为M10、M8两种，选取M8的螺钉进行强度校核。计算方法与自攻钉的校核方法相同，计算得到安全因数为4。因此，初选的母线连接螺钉M8满足设计要求。

2.3.3 框架杆件的压杆稳定校核

建立力学模型:

1)假设载荷的重心为柜体中心，载荷由4个边框立杆和4根加强筋来承受，每根杆件承受的载荷相同;

2)假设杆件的截面形状为规则的空心矩形;

3)假设载荷作用在一点，即最上方作用点和最下方作用点的中点。

根据此力学模型，因为边框立杆力的作用点靠上，即压杆的长度较大，所以为危险杆，需要对其稳定性进行校核。计算其稳定系数为

因此该压杆的稳定性满足要求。

2.4 蒙皮设计

控制柜外表面的蒙皮均采用1 mm厚的冷轧钢板，用ST 6.3的自攻钉连接到框架上，两个自攻钉之间的距离为31.75 mm，保证了连接的可靠性。顶面和底面的蒙皮不承受载荷，用12个ST6.3的自攻钉连接在框架上。在高度方向均采用两块相同尺寸的蒙皮，有利于增加蒙皮的刚度，保证蒙皮连接孔的同轴度。柜体后面是上下两块蒙皮，左侧面为6块蒙皮，右侧面为5块蒙皮。

3 母线设计及热计算

3.1 初选母线截面积

根据经验公式，对于铜母线，额定电流1000 A，需要645.16 mm2的母线截面积，母线的截面积设计为矩形，考虑散热因素和国际标准对母线截面尺寸的规定。矩形的长设计为101.6 mm，宽设计为6.35 mm。因为本设计的控制柜的额定电流为3000 A，所以母线的片数为3。

3.2 母线热计算

本设计通过热损耗法来计算母线允许负荷的截面，采用母线允许负荷的计算方法，根据导体中电气功率损失与导体散向空间热损失相等的原则来确定导体的允许负荷［8］:

式中:I为电流;∑Q为散热总量;R为交流电阻。

带入数据计算得I=3080 A，参照国际标准，确定本设计主母线的截面尺寸为101.6 mm×6.35 mm。

4 结论

1)通过改变了部分框架杆件的截面尺寸，在保证强度的前提下，降低了加工难度;通过合理设计折弯次数的方式增加了杆件的强度，在同强度的情况下减少的原料使用量，降低了原料成本。

2)对母线的排布形式上做了优化设计，使控制柜结构更加紧凑，减少了母线使用量;对支撑杆件的位置进行了合理安排，增加了支撑强度。

3)改变了西门子公司的大块蒙皮设计方案，采用上下两块对称设计，减小了蒙皮尺寸，降低了孔的位置度要求，提高了加工工艺性，降低了加工成本。

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