3000 A三相四線低壓配電控制柜的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄒常豐，張 莉

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

低壓配電柜是輸配電系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，在電力系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用。電力系統(tǒng)的升級(jí)對(duì)低壓控制柜提出了若干新的要求，所以配電柜日益向智能化、高分段、小型化、大容量發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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］，國(guó)際市場(chǎng)有法國(guó)施耐德電氣有限公司的BLOKSET低壓控制柜、德國(guó)西門子股份公司的Sivcon低壓控制柜、瑞士ABB電器有限公司的MNS3低壓控制柜等［2］。但價(jià)格相對(duì)較貴，所以，在保證實(shí)際需求基礎(chǔ)上，本文對(duì)3000 A低壓控制柜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 主斷路器的選取

低壓斷路器不僅可以接通和分?jǐn)嗾Ｘ?fù)荷電流和過負(fù)荷電流，還可以接通和分?jǐn)喽搪冯娏鳎?］。目前市場(chǎng)上主要有三種型號(hào)的斷路器:萬(wàn)能式短路器、塑料外殼式空氣斷路器、剩余電流動(dòng)作斷路器［4－5］。

DW系列額定電流相對(duì)較大，額定電壓范圍包含380 V三相交流電，動(dòng)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性都很好，分?jǐn)嗄芰?qiáng)，滿足本設(shè)計(jì)要求。初選定DW15－3000型斷路器，基本參數(shù)如下:額定工作電壓380 V，額定絕緣電壓690 V，額定頻率50 Hz，額定沖擊耐受電壓12 kV，額定電流為3000 A，極限分?jǐn)嗄芰?0 kA，使用分?jǐn)嗄芰?00%，短時(shí)耐受電流80 kA/s，關(guān)合容量200 kA，分?jǐn)囝愋蚘。

2 柜體的框架及蒙皮設(shè)計(jì)

2.1 框架總體設(shè)計(jì)

柜體框架的寬為965 mm，高為2286 mm，深為1473 mm，其他具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。尺寸均符合國(guó)際關(guān)于低壓控制柜的標(biāo)準(zhǔn)?？蚣艿臈U件均由沖壓加工，沖壓可達(dá)到的公差等級(jí)為IT10—IT14(其中IT12及以下的公差等級(jí)屬于未注公差)，本設(shè)計(jì)的公差等級(jí)為IT12，即為未注公差［6］。

圖1 框架圖Fig.1 Frame diagram

框架結(jié)構(gòu)均采用3 mm厚冷軋鋼沖壓而成，框架之間及蒙皮與框架之間的鏈接均采用ST6.3自攻釘緊固鏈接，連接強(qiáng)度大、裝配效率高，可以重新裝配，具有可裝配性［7］。根據(jù) GB922－76，自攻釘連接的底孔設(shè)計(jì)為φ5.6，頂孔設(shè)計(jì)為φ7。底孔通過配鉆的方式加工，降低了精度要求和加工難度，保證了可安裝性。

2.2 框架主要鈑金件設(shè)計(jì)

邊框立桿為主要桿件，具體形狀如圖2所示。

圖2 邊框立桿零件圖Fig.2 Frame vertical rod parts diagram

2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核

2.3.1 初選自攻釘并校核

整個(gè)控制柜均采用自攻釘連接，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初選ST6.3的自攻釘，對(duì)其剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核。

1)簡(jiǎn)化力學(xué)模型。假設(shè)載荷的重心在控制柜中心，即載荷均勻分布到左右兩側(cè)的承載螺釘上，每側(cè)的自攻釘分別承受一半的載荷。

每個(gè)自攻釘上的平均剪切力為

每個(gè)自攻釘上的剪切應(yīng)力為

危險(xiǎn)自攻釘?shù)募羟袘?yīng)力為

自攻釘?shù)脑S用剪切應(yīng)力為

安全系數(shù)為

2)桿件孔的擠壓強(qiáng)度校核。同樣應(yīng)用上述力學(xué)模型，每個(gè)承載桿件上孔的擠壓力等于螺釘?shù)募羟辛?，?jì)算得安全系數(shù)為綜合考慮自攻釘?shù)募羟袕?qiáng)度和桿件上孔的擠壓強(qiáng)度，系統(tǒng)的安全系數(shù)較小，即3.91。因初選結(jié)果合理，基本滿足了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)化要求。

2.3.2 初選母線連接螺釘并校核

根據(jù)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初選母線之間的連接螺釘為M10、M8兩種，選取M8的螺釘進(jìn)行強(qiáng)度校核。計(jì)算方法與自攻釘?shù)男：朔椒ㄏ嗤?jì)算得到安全因數(shù)為4。因此，初選的母線連接螺釘M8滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.3 框架桿件的壓桿穩(wěn)定校核

建立力學(xué)模型:

1)假設(shè)載荷的重心為柜體中心，載荷由4個(gè)邊框立桿和4根加強(qiáng)筋來承受，每根桿件承受的載荷相同;

2)假設(shè)桿件的截面形狀為規(guī)則的空心矩形;

3)假設(shè)載荷作用在一點(diǎn)，即最上方作用點(diǎn)和最下方作用點(diǎn)的中點(diǎn)。

根據(jù)此力學(xué)模型，因?yàn)檫吙蛄U力的作用點(diǎn)靠上，即壓桿的長(zhǎng)度較大，所以為危險(xiǎn)桿，需要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行校核。計(jì)算其穩(wěn)定系數(shù)為

因此該壓桿的穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 蒙皮設(shè)計(jì)

控制柜外表面的蒙皮均采用1 mm厚的冷軋鋼板，用ST 6.3的自攻釘連接到框架上，兩個(gè)自攻釘之間的距離為31.75 mm，保證了連接的可靠性。頂面和底面的蒙皮不承受載荷，用12個(gè)ST6.3的自攻釘連接在框架上。在高度方向均采用兩塊相同尺寸的蒙皮，有利于增加蒙皮的剛度，保證蒙皮連接孔的同軸度。柜體后面是上下兩塊蒙皮，左側(cè)面為6塊蒙皮，右側(cè)面為5塊蒙皮。

3 母線設(shè)計(jì)及熱計(jì)算

3.1 初選母線截面積

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于銅母線，額定電流1000 A，需要645.16 mm2的母線截面積，母線的截面積設(shè)計(jì)為矩形，考慮散熱因素和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)母線截面尺寸的規(guī)定。矩形的長(zhǎng)設(shè)計(jì)為101.6 mm，寬設(shè)計(jì)為6.35 mm。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的控制柜的額定電流為3000 A，所以母線的片數(shù)為3。

3.2 母線熱計(jì)算

本設(shè)計(jì)通過熱損耗法來計(jì)算母線允許負(fù)荷的截面，采用母線允許負(fù)荷的計(jì)算方法，根據(jù)導(dǎo)體中電氣功率損失與導(dǎo)體散向空間熱損失相等的原則來確定導(dǎo)體的允許負(fù)荷［8］:

式中:I為電流;∑Q為散熱總量;R為交流電阻。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得I=3080 A，參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，確定本設(shè)計(jì)主母線的截面尺寸為101.6 mm×6.35 mm。

4 結(jié)論

1)通過改變了部分框架桿件的截面尺寸，在保證強(qiáng)度的前提下，降低了加工難度;通過合理設(shè)計(jì)折彎次數(shù)的方式增加了桿件的強(qiáng)度，在同強(qiáng)度的情況下減少的原料使用量，降低了原料成本。

2)對(duì)母線的排布形式上做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使控制柜結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少了母線使用量;對(duì)支撐桿件的位置進(jìn)行了合理安排，增加了支撐強(qiáng)度。

3)改變了西門子公司的大塊蒙皮設(shè)計(jì)方案，采用上下兩塊對(duì)稱設(shè)計(jì)，減小了蒙皮尺寸，降低了孔的位置度要求，提高了加工工藝性，降低了加工成本。

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