低压配电柜的开发与应用探讨

冯钦玉

（南京大全电气有限公司， 江苏 南京 211100）

引言

在当前科学技术的发展下，低压配电柜应用成为智能电气系统发展趋势。鉴于此，低压配电柜得到了快速发展，为实现电气系统的稳定程度和可靠性提供了技术途径。当前工业化生产趋向自动化，这就需要低压电气控制系统予以支持，而低压配电柜的出现推动了这一技术的发展，从而不断满足智能自动化生产需求。当然随着需求的不断提升，相应的技术需要不断创新。因此立足于当前发展概况，进行科学有效的开发和应用，以推动低压配电柜技术的发展则显得相当关键[1]。

1 低压配电柜发展概述

作为一类关键性设备，我国自20 世纪80 年初期开始进行技术引进和生产，并在柜体设计、设备故障电弧防护能力、加工工艺、开关设备智能化等方面进行研究创新，并获得相应的突破和进展。20 世纪90年代后期，我国很多企业开始进行自主设计，并采用集成化手段进行集成化、智能化设计。具体而言，在加工工艺上，实现了母线系统的异型化设计，从而有效实现了相关电气参数的优化条件、连接方式简化以及温度控制等。ABB 公司的ArTu K 开关柜采用了该构型的母线系统实现了设备系统稳定性的提升。此外异型设计有助于在配置该配电柜的过程中能够可塑化设计，提升整个配电柜的抗弯强度，从而能够以更加灵活的连接方式来对线路进行简化设计[2]。

2 基本设计原则

2.1 坚持安全、环保原则

安全、环保性是低压配电柜设计的基本原则。针对低压配电柜设计工序安全性而言，首先需要确定低压配电柜设计工序中自动化控制技术的具体用途，以及控制系统使用要求，确保所设计的控制系统在安全裕度范围内。而低压配电柜设计工序节能优化设计的宗旨就是环保、节能以及安全，将节能、环保、安全三者有机结合必将低压配电柜设计发展的趋势，因此需要切实做好安全、环保原则，以此优化应用局面，提升低压配电柜的实际应用价值[3]。

2.2 减少无关损耗原则

在整个设备的应用中，首先要求设备系统的合理性和科学性。这要求相关人员须做好各环节设备、系统的核查，并进行优化替代处理。确保低压配电柜设计中满足基本要求的前提下最大化地节省不必要的能源损耗，最大可能地降低能源损耗问题，以此实现低压配电柜的优化设计。

3 低压配电柜的开发与设计

3.1 柜体结构设计

成套配电设备的框架结构是研发项目的基础。高强度的框架结构为配电柜在恶劣的环境下工作提供了可能性。如何制造出具有自主知识产权的高强度的框架结构是研发所面临的重要问题之一。而结构件的模块化、标准化，优化结构设计配合专业化的生产模式是开发的主要工作。

基于“大横梁+C 型立柱”的拼装式框架结构，研制新型柜体框架结构，包括：“多折边C 型立柱+三通连接件”的框架结构、“异形无缝方钢管+三通连接件”的框架结构、“异型材+ 三通连接件”的框架结构等。

折边/型材：采用多折边技术，C 型折边/9 折边/16 折边，综合生产制造能力、加工设备能力验证是否能满足，做到低钣材用量、高机械强度；对各类型的框架结构进行仿真模拟，计算结构强度数据。

拼装方式：采用三通连接器自攻螺丝固定或者焊接，配合模数化安装孔，结构强度高，标准化程度高，安装方便、快捷，既保证了框架的垂直度，同时提高开关柜整体的结构强度和抗震性能。

3.2 母线系统开发

母线连接结构是低压配电设备的纽带，是成套设备的重要组成部分，它决定了低压开关成套设备的电气参数、进出线方式、连接方式和柜体温升。母线系统的优劣直接影响到配电系统的性能。

在自主开发的“C”型母线系统的基础上，研制一款结构新颖、高表面积、高散热、高载流量、符合用户习惯的新型母线系统。如：正反“双面C”型排，可同时用于前后搭接、“品”字型排，可实现前、后、下三面搭接等。新型包括：

1）主母排及垂直排的形式：研发设计异形排，其机械强度高、散热性能好、载流量大，制造成本低，同时其他厂商难以模仿。对其载流量需进行计算分析，并进行试验验证。考虑不同电流等级组合的方便性，计算分析截面、成本，通过仿真确定最优性价比。

2）铜排搭接方式及长度：采用非满搭接（满搭接为搭接面长度为铜排的宽度），对国内外相关标准进行研究，通过仿真计算、分析，制定铜排搭接的优化方案，确定搭接长度，降低制造成本。

3）母排固定排夹：设计排夹结构能够实现模块化组合，满足不同电流等级的通用性要求；通过计算，分析固定件不同间距对母排动、热稳定及短时耐受电流的影响；研究母排固定件防燃弧措施及弧根处理方式，并进行测试。

3.3 保护接地系统设计

接地保护系统是提升低压配电柜稳定运行的关键业务功能模块，其关系到是否能够迅速度实现接地保护，以降低接地故障对整体低压配电柜内部线路系统带来的损害等业务功能。根据这一需求在设计这一环节的过程，可采用如下方式：

1）通过采用测量级电流互感器来有效提高保护功能启动的阈值测量精度；

2）直接采用负序电流保护，并适当提高整定值，消除负载不平衡的影响;

3）降低故障分量的整定值，以满足绝缘突然击穿时的保护动作。

在整个设计过程中，需做好保护装置的启动检测精度，以启动效率，降低误判、漏判概率，从而最大程度上提升保护功能动作精度和效率，从而为整个设备系统稳定运行提供可靠支持。

3.4 标准化及模块化设计

低压柜的结构设计，通常跟用户的具体要求有关。其中对柜体的结构进行调整的情况较多，势必造成研发及制造成本的提高，且根据对每位用户的需求单独设计，也不利于低压柜的批量生产。针对这一状况，在低压柜的设计过程中，追求标准化、模块化设计则是关键之举，即采用机械接口、可模块拼接式安装的结构设计，通过不同零部件的组合拼装，以满足不同的用户需求，进而实现较高的通用性。而在生产过程中，仅需设计与制造各模块化零部件，并可实现批量化生产，以降低制造成本。通常而言，模块化的设计主要体现在柜体结构的模块化，如固定柜向抽屉柜设计的转移，另外，还体现在各个组成结构的模块化设计，如柜体主框架、安装板、横梁和支件等安装孔的模块化与标准化设计等。

4 低压配电柜发展趋势

4.1 配电系统智能化控制

对于低压配电柜而言，所涵盖的大部分电气元件均实现了智能化和制动控制。这些业务功能的实现主要归功于微电子技术、计算机技术、工业互联网技术等高新技术同传统的配电柜技术的有机融合，由此实现了整体配电系统设备可靠性提升。从当前低压配电柜的配电系统的发展来看，配电系统将配备遥测、遥控、遥调以及遥讯等以“四遥”著称的功能体系。当然随着现场总线技术的采用，低压配电系统整体配电效果得以显著提升，并且趋向低功耗发展。此外，信息技术的采用使得远程操控成为可能，极大地提升了系统运维的便捷性，同时也在一定程度上削减了运维成本。

4.2 低压配电柜新型环保材料应用

节能环保是当前我国大力提倡的重要政策，致力于该政策是实现碳中和的关键，也是我国现代化工业和社会发展的必由之路。对此提升低压配电柜的环保性不仅仅各大生产厂商追求的目标，同时也是政策之使然。在此节能环保意识不断提升的今天，很多厂家根据国家要求在低压配电柜中引入新型环保材料。例如，ABB 公司在MNS 低压配电柜的生产中，除了采用覆铝锌柜架外，同时将具有导电率较高的铜母排应用其中，并且配上了热缩套管，实现了安全性能的提升。为了降低氟利昂和卤素燃烧导致的污染，在使用的塑胶材料中不含上述有害化学物质，从而以实现环保的基本要求。

5 结语

低压配电柜作为重要的电力系统设备单元，对电力系统的稳定运行有着关键促进作用。随着新一轮经济的持续快速增长，电力负荷的需求也迅猛增长，为了提高电力终端电能使用的方便性、灵活性和可靠性，低压配电柜开发以及应用日显重要。