针对检验环境下的手车式配电柜优化设计

谭兰平，梁 寅

（1.云南永邦国际工程咨询有限公司，云南昆明 650100；2.昆明电器科学研究所，云南昆明 650021）

针对检验环境下的手车式配电柜优化设计

谭兰平1，梁 寅2

（1.云南永邦国际工程咨询有限公司，云南昆明 650100；2.昆明电器科学研究所，云南昆明 650021）

以低压成套设备生产企业中广泛应用的手车式配电柜为优化设计对象，在原有设计的基础上分析了关键设备——三相调压器的电气特性，从对关键设备过载保护的角度出发探讨了实施优化设计的方法，提出了一、二次回路设计方案，以消除台车在使用过程因潜在的过负荷现象造成的不利影响，进一步提高台车设备的可靠性。

三相调压器；恒流源；过负荷保护；电压监视继电器

1 设备概述

本文涉及的手车式配电柜是一种专为互感器、小容量变压器等电气设备参数校验提供电源或为工厂中小负荷提供临时电源的移动式产品。该产品能够按需向负载输出不同类型不同规格的恒定电压和电流，在成套设备生产企业的工厂车间、试验室和电子产品质量检测实验室被广泛用作试验电源。手车式配电柜实现电压电流调节的关键设备是容量不等的有载调压变压器，这种设备具有恒流源特性。

1.1 移动式电源车的电气原理和性能分析

目前市面上没有专业用于电压互感器和电流互感器的校验、换流设备性能参数测试、非线性负载谐波发生测试等试验的可移动电源设备，基于试验检测用特殊要求，特设计并制作一台手车式配电柜。原配电柜由1个三相交流电压不可调回路，3个电压可调输出回路（分别由1路三相交流调压回路、1路单相交流调压回路、1路直流调压回路组成），3个单相线电流调节输出回路（从A、B、C各相线上取电的电流调节回路）和1个直流电流调节输出回路组成。一次回路系统图如图1所示。

3个电压调节输出回路（标号2，3，4），3个电流调节输出回路（标号5，6，7），1个直流电流调节输出回路（标号8）均由一个容量为3 kVA，输入电压为380 VAC，输出电压在0～430 VAC范围内可调的有载调压变压器供电，而4回电流调节输出回路还连接着4个500 VA的单相变压器，并由这4个单相变压器供电，8个供电回路的每一回均设置了断路器，用于分断回路和保护；各回断路器额定工作电流标注如图1所示。标号2，3，4组成的电压调节回路由接触器KM1控制其分断；标号5，6，7，8由接触器KM2控制其分断。

图1 原设计系统图

1.2 手车式配电柜在使用过程中出现的问题

手车式配电柜成品制成后，发生两次较严重的过载现象，致使该产品关键设备有载调压器和变压器受到不同程度的损坏。经过分析，认为是有载调压器和单相变压器容量过小所致，而该产品在实际的工厂实验用环境中的使用状况是复杂而不确定的，接入负荷容量的不确定性，易造成变压器可能长期处在过载的条件下运行，突发的外部测试线路或任何接负载的线路短路也会对设备造成损伤。但由于必须结合现场设备对电源的需求性能，单纯提高设备容量在经济性上是不可取的，在工艺上也无法满足试验要求，并且在安全性上也存在一定的风险，因此需要针对存在的问题对手车式配电柜进行优化设计，提高配电柜适用性和安全性。

2 关键设备特性分析及其保护对策

2.1 有载调压变压器的输出特性分析及其保护对策

上述分析表明有载调压变压器是该产品的关键设备之一。从输出端口看进去，有载调压器变压器的端口特性等效为恒流源，其原理是在整个调压范围内改变输出视载功率达到恒定额定电流的能力。

将输出电压与功率的标度绘制成图并拟合如图2所示。

图2 三相调压器调压范围拟合函数

可以发现配电柜的调压变压器输出功率与输出电压两个变量间的线性度在中间较高，两端极低点和极高点较低，用线性拟合函数建立输出电压与输出功率的关系表示为：

其中线性插值函数中出现的计算负值视载功率无意义，接近430 V输出电压点的视载功率计算值也不可靠，因为在两端两个输出参数的线性关系已经不存在。由于三相负载线电流与电压服从S=1.732UlIl[1]，因此插值函数斜率除以1.732就是三相调压器的最大输出电流，值为Ie=4 A。

该电流既表示出三相调压器的恒流源特性，又表示在有载调压变压器调压范围内设备可输出的电流最大值为4 A，设备所带回路的实际输出超过该值则导致设备过载。结合图1可以发现无论在有载调压变压器上游还是下游的线路上，所装设的断路器额定电流值无法对该设备进行过负荷保护。配电柜在工厂中使用时，所带的负载是随机的，因此应对原有设计优化，优化对策就是按照文献[2]允许调压器过载40%计算熔断器动作电流，其值为5.6 A。实际熔断电流按舍去小数位取。熔断选型为5 A，装设在调压变压器出线侧，该熔断器对变压器起过载保护作用，使得2～8号回路中的任一回路过载或某几个同时取电回路的输出电流加和后，使变压器总输出电流超过5 A而过载，都可导致熔断器熔断。

2.2 单相变压器的容量特性分析及其保护对策

配电柜的四个单相变压器均是变比相同（为11：1）、容量相同（为500 VA）、输入额定电压相同（为220 VAC）的变压器，其作用是进行电压、电流变换。参照文献[3-5]，结合原设计和设备参数表，当有载调压器和单相变压器配合时，可能造成单相变压器过载，因为当调压器输出电压超过220 V时，其输出功率将超过1 496 VA，折合到单相将超过500 VA。调压器容量超过单相变压器所造成的后果是调压器正常运行的时候，单相变压器可能已过载。为了避免调压过程中产生过载。在电流调节回路运行时，必须限制调压器的调压范围使其输出电压在[0，220]V范围内变化。目前在配电柜上这一操作限制仅由说明书操作规程给出，在实际应用过程中会造成隐患。因此优化的方法是在每个单相变压器的进线端，安装单相电压监视继电器，电压继电器的阈值按允许过载10%计算，即550 VA对应的电压值作为整定的阈值。通过在单相电压功率组成的平面上，（127.02，498.67）（144.34， 566.67）两点之间做拉格朗日线性插值找到550VA对应的电压，表达式为：

具体方案是单相电压监视继电器阈值电压整定为140 V，返回电压整定为127 V，优化后电源车的一二次回路如图3所示。

图3 单相变压器过载保护示意图

3 结论与展望

调压变压器、单相变压器是手车式配电柜的关键设备，这两类设备造价高，手车式配电柜原有设计并未考虑到对这调压变压器和单相变压器的过载保护，表现为在系统图中并未专门设置三相调压器的过负荷保护断路器；单相调压器的三个断路器无法实现过载保护。通过分析调压变压器的输出特性和单相变压器容量特性，可以发现它们都具有恒流源特性，因此对三相调压变压器的保护对策在于设置熔断器实现过载延迟保护；对单相调压器的保护对策在于设置实现过电压保护的一二次回路。这样做的目的是将电气产品在投运后可能产生的潜在的安全隐患，通过技术手段就在设计阶段将其杜绝，防止因运营管理不善造成关键设备损坏甚至烧毁等安全事故。

然而电源车运用的工厂试验环境是非常复杂的，电源车将如何使用是无法完全预料的，仅仅考虑对变压器这种关键设备的保护是不够的，仅仅引入继电保护手段也是不够的，因此电源车的优化设计不仅要包含关键设备的保护，还需要在操作人员保护，诸如三相四线系统的断线保护等关键设备的其它类型保护，信号警示等环节再加以考虑并进行优化。这样才能从技术层面上将运营的安全隐患消除掉。

［1］孙亮，陈其翔，汤龙.电气设计中Excel电子表格的应用［J］.电气应用，2012（2）：29-32.

［2］JB/T 8749.3-2013.调压器第3部分：接触调压器［S］.

［3］施耐德电气有限公司.电气装置应用设计指南2006［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［4］刘介才.工厂供电［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［5］汤蕴璆，梁艳萍.电机学［M］.北京：机械工业出版社，2011.

Trolley Power Supply Optimal Designing under the Condition of Electrical Test

TAN Lan-ping1，LIANG Yin2
（1.Yunnan Yong Bang International Engineering Consulting Co.，Ltd.，Kunming 650100，China；2.Kunming Electrical Apparatus Research Institute，Kunming650021，China）

Trolley power supply is widely used in the factory which manufactures the complete set of low-voltage equipment.It is taken as a research object for promoting the optimal designing in this article.The Electrical Schematic of the trolley power supply and its electrical properties are analyzed.Optimal designing methods are discussed from the view of relay protection of the core device.The primary circuit optimal designing scheme and the secondary circuit optimal designing scheme are offered.The purpose is to remove the hazard of the equipment damage in the using procedure and to improve the reliability.

three-phase voltage regulator；constant-current source；overload protection；voltage monitoring relay

TM403

A

1009－9492(2015)10－0033－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.008

谭兰平，男，1982年生，湖南娄底人，大学本科。研究领域：建筑电气、机房工程、供配电系统设计及安装。

(编辑：阮毅)

2015－04－17