一種全新的適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境的低壓開關(guān)柜

林力飚

摘要：采礦環(huán)境對于電氣設(shè)備而言是地球上最嚴(yán)苛的環(huán)境之一。大量濕氣和持續(xù)粉塵形成的可導(dǎo)電積灰時刻威脅著電氣的絕緣性，地面震動和爆破沖擊更會破壞精密的儀表設(shè)備。文章介紹了一種全新的低壓開關(guān)柜，詳述其結(jié)構(gòu)參數(shù)、特點和優(yōu)點，旨在與相關(guān)人員分享設(shè)計經(jīng)驗，為今后的工作提供一些思路。

關(guān)鍵詞：嚴(yán)苛環(huán)境；低壓開關(guān)柜；采礦環(huán)境；電氣設(shè)備；電氣絕緣性 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM591 文章編號：1009-2374（2017）10-0022-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.011

采礦環(huán)境對于電氣設(shè)備而言，被認(rèn)為是地球上最嚴(yán)苛的環(huán)境之一。大量濕氣和持續(xù)粉塵形成的可導(dǎo)電積灰時刻威脅著電氣的絕緣性，地面震動和爆破沖擊更會破壞精密的儀表設(shè)備。另外，礦工的人身安全也應(yīng)考慮。

圖1

澳大利亞ABB公司為了拓展礦業(yè)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)，研發(fā)了一種全新的高等級、高分隔要求、高性能、便于維護(hù)的低壓控制柜——ABB SafeStart。在柜型研發(fā)期間，筆者參與了其中的主要過程，現(xiàn)將此柜型的結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)點做詳細(xì)分析。

1 新型礦業(yè)低壓柜的突出優(yōu)點及主要參數(shù)

SafeStart新型礦業(yè)低壓柜簡介：

系統(tǒng)由主動力柜和若干臺控制柜組成，主動力柜進(jìn)線后，通過主母排將電流傳至角排，控制模塊再從角排取電，實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。

系統(tǒng)采用高度靈活、免維修的框架。柜內(nèi)安裝不同元件以滿足各種需求。其設(shè)計和材料能最大程度的防止故障電弧的發(fā)生，一旦發(fā)生故障電弧，能在短時間內(nèi)熄滅。它通過了權(quán)威機(jī)構(gòu)的故障電弧測試，也通過了型式試驗。試驗中，故障電弧不影響相鄰的抽屜模塊。電弧熄滅后，抽屜組件經(jīng)過清理，各組件柜中的位置不變。

以下詳解SafeStart系統(tǒng)的技術(shù)特點和優(yōu)勢：

1.1 適用性

礦業(yè)的特點要求在其環(huán)境下運行的開關(guān)柜具有高防護(hù)等級、高分隔要求、持續(xù)穩(wěn)定、易于維護(hù)的特點，同時盡量降低成本。

SafeStart低壓柜適用環(huán)境參數(shù)如下：相對濕度可達(dá)90%；環(huán)境溫度-5℃～50℃；IP等級可達(dá)IP54；適用嚴(yán)苛環(huán)境，例如礦業(yè)和冶煉行業(yè)。

1.2 可靠性

1.2.1 框架（橫梁、骨架、外殼）。主體結(jié)構(gòu)包含組合式框架，每根橫梁和骨架均采用高強(qiáng)度C型結(jié)構(gòu)，上面開模數(shù)孔。

骨架間的拼接使用耐落螺絲，橫梁和骨架之間用拉包固定，組合后整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。所有框架零件均無需維修。

橫梁和骨架表面鍍鋅，耐腐蝕。

框架底部提供底板。門板和外殼可配通風(fēng)口，頂板可為通風(fēng)型或密閉型（按需選擇）。

1.2.2 主母排和角排。主母排位于柜體后部，可分上下層，水平安裝，單層主母線系統(tǒng)布置在上層或下層，按實際要求分為3P/4P主母排，與設(shè)備室和電纜室隔離。

兩層主母排的截面大小可不同。主母排單排/串聯(lián)/并聯(lián)均可。視電流大小，每相可由2或4根主母排組成。母排材料為銅。不同截面的母排也能搭接?？砂葱枳霰砻嫣幚怼４怪苯桥庞糜诔閷夏K和母排之間?？扇摺敫?、或中間分?jǐn)喑蕛啥尾贾?。角排每根為單根直角形銅排，表面鍍銀，以保證導(dǎo)電性能。

主母排系統(tǒng)采用免維護(hù)結(jié)構(gòu)。主母排固定在特制的母線夾上，再將整組母線固定于骨架上。全部母線由耐落螺絲組裝，安裝方便可靠。

在水平主母排與垂直角排之間，有一塊專門設(shè)計的多功能板，其正面有4道凹槽，3P/4P垂直角排被安裝于槽內(nèi)并貫穿整個柜高，保證各相分隔，且位于固定的空間位置。

多功能板背后，對應(yīng)各相高度有相應(yīng)敲落孔，角排與主母排通過塞在敲落孔中的銅柱實現(xiàn)連接。

角排安裝后，多功能板正面有對應(yīng)的塑料蓋板，可完全覆蓋角排，只在抽屜對應(yīng)一次叉的位置留出空間，實現(xiàn)抽屜與角排的電氣連接。

完全分隔的角排/主母排提供了極好的安全性能——角排與角排之間、角排與主母排之間不會產(chǎn)生電弧。

多功能板右側(cè)，裝有覆鋁鋅板材質(zhì)的柜頂至柜底的隔離板，其上開有模數(shù)槽，實現(xiàn)設(shè)備區(qū)與母排區(qū)分隔，也滿足一定的通風(fēng)需求。此處也可換成無通風(fēng)槽鐵板以滿足高分隔要求。

1.2.3 電力連接。抽屜與角排連接的一次叉可避免電纜扭曲和減少應(yīng)力，提高接觸性能。特制的彈簧保證了良好的電氣接觸性能。經(jīng)過測試，可實現(xiàn)插拔1000次以上。

1.2.4 防故障設(shè)計。抽屜后部與垂直角排之間有一定空擋，可為抽屜提供短路保護(hù)。

1.3 安全性

安全是ABB的最優(yōu)先考慮。

1.3.1 電弧安全測試。電弧測試的目的是降低內(nèi)部電弧故障對個人傷害和設(shè)備破壞的風(fēng)險。電弧測試適用標(biāo)準(zhǔn)IEC61641和AS/NZS3439.1 AnnexZD，此電弧測試在最嚴(yán)格的IP54條件下進(jìn)行，無任何推測和假設(shè)。

1.3.2 抽屜互鎖改進(jìn)。為保證安全，新連鎖裝置保證開關(guān)在ON時，抽屜無法被插入。比較原先復(fù)雜的多個開關(guān)分合位置的方式，這是更先進(jìn)的設(shè)計。

原先ABB公司抽出式抽屜的手柄有5個位置：

ON：主回路控制回路處于連接狀態(tài)。OFF：主回路控制回路處于斷開狀態(tài)。TEST：主回路處于斷開狀態(tài)，控制回路處于連接狀態(tài)，用于測試目的的所有功能可用。ISOLATED：所有主回路控制回路處于斷開狀態(tài)，抽屜離柜30mm。WITHDRAWN：所有主回路控制回路處于斷開狀態(tài)，抽屜在柜內(nèi)可隨時抽出。由于手柄位置多，操作繁瑣，此設(shè)計對工作人員的專業(yè)素質(zhì)要求較高。

在新式抽屜的設(shè)計中，采用了一種全新的機(jī)械連鎖結(jié)構(gòu)，如圖5所示：

互鎖原理：開關(guān)手柄只設(shè)ON/OFF兩個位置，在手柄至開關(guān)的軸上加裝連鎖機(jī)構(gòu)，當(dāng)開關(guān)處于OFF時，連桿落下，此時抽屜可進(jìn)出柜體，當(dāng)抽屜就位門板合上后，手柄轉(zhuǎn)至ON，連桿升起，嵌入抽屜與抽屜之間的隔板，此時抽屜無法被抽出。

此設(shè)計保證主開關(guān)在工作狀態(tài)時無法被抽出，只有主開關(guān)在OFF時才能抽出抽屜。當(dāng)抽屜被抽出時，如開關(guān)處于ON，抽屜無法進(jìn)入柜體從而避免誤操作。且采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，保證了互鎖的可靠性和長期有效性。

1.3.3 接地。抽屜有專門的接地設(shè)計，保證基本的安全需求。抽屜就位時，抽屜上的鐵片直接與骨架上的接地鐵片接觸，保證抽屜的可靠接地。

1.3.4 隔離。按AS/NZS3439.1標(biāo)準(zhǔn)，SafeStart最大能滿足Form4a的隔離要求，即母排區(qū)與設(shè)備區(qū)分隔，設(shè)備區(qū)與電纜小室分隔，抽屜與抽屜之間分隔（如圖6左圖）。

1.3.5 掛鎖。主開關(guān)手柄最大承重2kg，配備金屬掛鎖（如圖6右圖）。

1.4 易用性

更換抽屜的結(jié)構(gòu)和功能時，只需少許工具，不論翻新、重新布線還是客戶定制，成本都較低。

1.4.1 抽屜的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。抽屜標(biāo)準(zhǔn)尺寸：深度400，寬度600，高度按抽屜規(guī)格可以分別為8E、12E、16E、20E、24E、32E（1E=25mm）。

每個抽屜包含：主開關(guān)的主回路電纜；主開關(guān)；主接觸器；ABB INSUM設(shè)備和控制單元；信號和控制電纜。電氣設(shè)備功能可選：熱敏電阻保護(hù)；電壓/電流測量；接地故障測量；循環(huán)監(jiān)測。

1.4.2 單片式安裝板。所有元件正面安裝，易于布線或更換配件。相同規(guī)格的抽屜，安裝板整合成通用板，減少改變抽屜配置的時間。

1.4.3 抽屜門板。抽屜門板安裝于框架上，與抽屜獨立。當(dāng)抽屜移出時，門板仍在柜上，此時可關(guān)門避免粉塵進(jìn)入，也避免人員與柜內(nèi)接觸，在抽屜維護(hù)或更換時防止飛弧傷人。門板采用專門的鉸鏈，開門角度可大于120度，必要時也可取下。門上裝有接地線。

1.4.4 拉手和橫梁。抽屜大小為16E及以上時，抽屜左右側(cè)面將安裝拉手，可更安全方便地移動抽屜。

抽屜底部采用加強(qiáng)型橫梁設(shè)計，操作人員不需要額外工具就可以將抽屜直接抽出或推入。

1.4.5 通風(fēng)結(jié)構(gòu)。抽屜左側(cè)和后側(cè)右部開百葉窗。抽屜工作時，可通風(fēng)散熱，故障時可作泄壓通道。

1.5 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

高度：2200mm（ABB標(biāo)準(zhǔn)高度）/寬度：400、600、800、1000、1200mm/深度：600、800、1000、1200mm/基本尺寸：E=25mm/表面處理：鍍鋅/防護(hù)等級：IP31、IP41、IP42、IP54。

1.6 SafeStart柜的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)

1.6.1 適用標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計驗證測試IEC61439-1、IEC61439-2、AS3439.1。

1.6.2 電弧故障測試 IEC61641/AS3439.1。

1.6.3 測試機(jī)構(gòu)ASTA/NATA（National Associatation of Testing Authorities，Australia）。

1.6.4 電氣數(shù)據(jù)：

第一，額定電壓：額定絕緣電壓Ui 1000V 3相；額定工作電壓Ue 400V、415V、440V、500V、690V 3相；額定沖擊耐受電壓Uimp 6/8/12kV；過電壓等級Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ；額定頻率可達(dá)60Hz。

第二，額定電流：主母排——額定電流可達(dá)6300A，額定峰值電流可達(dá)250kA，額定短時耐受電流可達(dá)100kA。

對應(yīng)不同的主母排電流，骨架也有不同要求：當(dāng)母排電流≥3200A時，全系統(tǒng)背部骨架防磁，同時進(jìn)線柜電流經(jīng)過方向的縱向骨架防磁。當(dāng)主母排電流<3200A時，全系統(tǒng)所有骨架不防磁。

角排——額定電流可達(dá)1500A，額定峰值電流可達(dá)176kA，額定短時耐受電流可達(dá)80kA。

1.6.5 塑料件采用無鹵、自熄、阻燃、無氯氟烴材料。

1.6.6 其他。銅排表面處理：裸銅、鍍銀或鍍錫，熱縮等。

1.6.7 故障電弧。額定電壓：415V/80kVA@IP54 690V/

50kVA@IP54預(yù)計短路電流：可達(dá)80kA；持續(xù)時間：300ms。

1.7 其他

1.7.1 加熱器、照明設(shè)備、火災(zāi)監(jiān)測器等輔助設(shè)備。當(dāng)相對濕度大于80%（24小時平均濕度）時，可使用加熱器除濕。安裝原則為：加熱器需裝于被保護(hù)裝置下部，一般指柜體底部。多片加熱器均布除濕比一片大功率加熱器除濕更有效。

當(dāng)柜體環(huán)境光線不佳時，可加裝照明設(shè)備。根據(jù)實際情況，在柜內(nèi)酌情安裝。

當(dāng)客戶有火災(zāi)監(jiān)測的需求時，可加裝火災(zāi)監(jiān)測器，具體位置參考照明設(shè)備的安裝。

1.7.2 滅弧罩的安裝。當(dāng)柜體后方為通道時，標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)窗外需增加滅弧罩，以避免母排發(fā)生故障時飛弧傷人。當(dāng)柜體靠墻安裝時，則無需安裝。

2 結(jié)語

SafeStart低壓開關(guān)柜定型至今，現(xiàn)已有成套低壓柜在現(xiàn)場運行。該柜型優(yōu)異的性能和合理的設(shè)計得到了客戶的贊揚和信賴，為ABB贏得了良好的效益和聲譽。

參考文獻(xiàn)

[1] 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備（GB 7251.1）[S].

[2] ABB SateStart低壓開關(guān)柜產(chǎn)品說明書（英文版）[S].

[3] ABB Engineering guildline[S].

[4] ABB Engineering notice[S].

[5] ABB低壓開關(guān)柜MNS3.0樣本[S].

（責(zé)任編輯：黃銀芳）