淺談低壓開關(guān)柜的設(shè)計(jì)

蘇天頤

摘? 要：電力系統(tǒng)中，高低壓開關(guān)柜發(fā)揮重要作用，可有效控制電力運(yùn)輸，確保供電穩(wěn)定。為確保電力系統(tǒng)長久穩(wěn)定運(yùn)行，避免由于高低壓開關(guān)柜異常導(dǎo)致電力安全隱患，應(yīng)對高低壓開關(guān)柜進(jìn)行全面的電氣檢查，避免出現(xiàn)故障后引起電力系統(tǒng)癱瘓。文章就低壓開關(guān)柜進(jìn)行深入分析，講述了安全電壓、電壓等級、開關(guān)柜、低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的基本概念，然后詳細(xì)介紹了低壓開關(guān)柜的分類、組成、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程以及安全防護(hù)。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜;高低壓;電力系統(tǒng);安全防護(hù)

1? 用電等級的分類

開關(guān)柜是在電力系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電、輸電、配電和電能轉(zhuǎn)換的過程中，進(jìn)行開合、控制和保護(hù)用電設(shè)備。它有兩種用途，第一種用于電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制或保護(hù)等作用，第二種主要用作發(fā)電廠、變電所、民用建筑等單位的受電、送電，以及高壓電動機(jī)、電容器及變壓器監(jiān)測、控制和保護(hù)。

我們從用電等級的分類入手，先了解一級、二級、三級負(fù)荷的特點(diǎn)，然后，從基本概念、低壓開關(guān)柜的分類、組成、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程和安全防護(hù)六個(gè)方面進(jìn)行介紹。

用電等級的分類共有三種：一級負(fù)荷（造成重大的政治影響、國民經(jīng)濟(jì)重大損失、人員傷亡或重大設(shè)備損壞的負(fù)荷。應(yīng)設(shè)置備用電源），二級負(fù)荷（造成較大的政治影響、經(jīng)濟(jì)損失或引起公共場所秩序混亂的負(fù)荷。應(yīng)設(shè)置備用電源），三級負(fù)荷（一般都采用單電源供電）。

我國常用的電壓等級：220V、380V、6kV（火力發(fā)電廠）、10kV（常見變電站）、35kV（常見于通過光伏發(fā)電傳輸?shù)街麟娬镜碾娐罚?10kV、220kV、330kV、500kV，1000kV。通常將35kV以上的電壓線路稱為送電線路，35kV及其以下的電壓線路稱為配電線路。

交流電壓等級中，通常將1kV及以下稱為低壓;1kV以上、20kV及以下稱為中壓;20kV以上、330kV以下稱為高壓;330kV及以上、1000kV以下稱為超高壓;1000kV及以上稱為特高壓。根據(jù)實(shí)際生活中的使用情況，一般簡單的以1kv作為低壓和高壓劃分標(biāo)準(zhǔn)。

2? 低開關(guān)柜的基本概念

首先，開關(guān)柜的基本概念。制造廠根據(jù)電氣主接線的要求，將一次設(shè)備和二次設(shè)備按照一定的順序安裝在開啟式或封閉式的金屬殼體內(nèi)，作為接受和分配電能的裝置，稱為金屬開關(guān)裝置，簡稱開關(guān)柜。

其次，低壓開關(guān)柜的分類^[1]。根據(jù)功能分，可分為進(jìn)線柜、聯(lián)絡(luò)柜、饋電柜、電容補(bǔ)償柜、軟起柜、變頻柜，根據(jù)結(jié)構(gòu)分，可分為固定柜、抽屜柜、固定分割柜、混裝柜，分類如下圖所示：

進(jìn)線柜：它是把一個(gè)變壓器低壓側(cè)連接至一段母線上，并提供對該段母線的過流、過壓等保護(hù)的配電柜。

聯(lián)絡(luò)柜：它的作用是當(dāng)其中一段母線由于電源側(cè)故障而失電時(shí)，負(fù)責(zé)把兩段母線連接起來，并提供對該段母線的過流、過壓等保護(hù)的配電柜。

饋電柜：電能輸送到利用電能工作的地方（比如一臺電動機(jī)、車間照明等），功能是在正常情況下合閘送電、分閘斷電，在事故狀態(tài)下（設(shè)備、線路發(fā)生短路等）能及時(shí)斷開開關(guān)，將事故電路停電。

電容補(bǔ)償柜：電容在交流電路里可將電壓維持在較高的平均值，增加電路電壓的穩(wěn)定性;對大功率負(fù)載的突發(fā)啟動給予電流補(bǔ)償，電力補(bǔ)償電容組可提供巨大的瞬間電流，減少對電網(wǎng)的沖擊;電路里大量的感性負(fù)載會使電網(wǎng)的相位產(chǎn)生偏差，而電容在電路里的特性與電感正好相反，起補(bǔ)償作用。

軟起柜：降低電動機(jī)起動電壓和電流，起動速度平穩(wěn)可靠，減少對電網(wǎng)沖擊。

按照柜型分類產(chǎn)生了國內(nèi)外不同型號的開關(guān)柜，而大部分國內(nèi)柜型是在ABB公司系列柜型的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的。低壓開關(guān)柜的設(shè)計(jì)基于IP等級進(jìn)行不同程度的防護(hù)，有固體（粉塵）防護(hù)和水防護(hù)兩個(gè)指標(biāo)組成?；诓煌妷旱燃壪碌碾姎忾g隙和爬電距離對相鄰電部件設(shè)計(jì)間隔長短。

第三，低壓開關(guān)柜的組成。低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備則由一個(gè)或多個(gè)低壓開關(guān)設(shè)備和與之相關(guān)的控制、測量、信號、保護(hù)、調(diào)節(jié)等設(shè)備^[2]，由制造廠家負(fù)責(zé)完成所有內(nèi)部的電氣和機(jī)械的連接，用結(jié)構(gòu)部件完整地組裝在一起的一種組合體，由結(jié)構(gòu)部分、電氣部分、基本電氣元件三部分組成。它在結(jié)構(gòu)組成上分為四個(gè)部分：母線單元、電氣設(shè)備單元、進(jìn)出線單元和監(jiān)控小室。

它按電氣組成來分為一次回路和二次回路，按照元件的不同分為一次元件和二次元件，柜內(nèi)常用一次電器元件（主回路設(shè)備）常見的有以下設(shè)備：電流互感器、電壓互感器、零序互感器、開關(guān)柜、接地開關(guān)、避雷器、隔離開關(guān)、高壓斷路器、高壓接觸器、高壓熔斷器、變壓器、高壓帶電顯示器、絕緣件、主母線等;柜內(nèi)常用的主要二次元件（二次設(shè)備或輔助設(shè)備），常見的有如下設(shè)備：繼電器、電度表、電流表、電壓表、功率表、功率因數(shù)表、熔斷器、空氣開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、信號燈、電阻等，如下圖所示：

第四，低壓開關(guān)柜的基本設(shè)計(jì)流程^[3]為：

（1）根據(jù)供電電源和用電設(shè)備（負(fù)載）的特性要求，同時(shí)結(jié)合用戶的操作檢修要求繪制一次系統(tǒng)圖;

（2）根據(jù)單個(gè)回路的負(fù)載情況計(jì)算出每個(gè)回路的回路電流，并根據(jù)回路電流配置此回路的斷路器，電動機(jī)回路還需要配置接觸器熱繼電器等保護(hù)設(shè)備;

（3）確定變壓器的容量和總開關(guān)的額定電流;

（4）選擇柜型（考慮額定電流級別，用戶要求，成本，外觀，檔次，實(shí)用性能）;

（5）根據(jù)元件尺寸及進(jìn)出線要求，結(jié)合環(huán)境因素確定柜體尺寸;

（6）如果此配電系統(tǒng)為多面屏組合還需要確定水平母線;

（7）根據(jù)用戶的操控和監(jiān)視要求確定二次控制回路，并繪制二次原理圖;

（8）根據(jù)上述步驟出來的一、二次圖紙制定生產(chǎn)所需要的設(shè)備材料表，接線圖，生產(chǎn)指導(dǎo)文件，即可生產(chǎn)。

3? 開關(guān)柜的安全防護(hù)

當(dāng)然，開關(guān)柜的防護(hù)措施也非常重要，常用五種方法進(jìn)行防護(hù)^[4]，1）屏體可靠的接地措施;2）將柜內(nèi)帶電部分覆蓋絕緣物;3）正確的選擇接地系統(tǒng)（TT、IT、TN），保證故障電流產(chǎn)生的時(shí)候能自動切斷電源;4）開關(guān)設(shè)備正確的操作步驟和方法;5）斷路器防護(hù)。這些是十分重要的，因?yàn)樗梢栽谟龅轿ｋU(xiǎn)時(shí)起到?jīng)Q定性作用。

4? 結(jié)論

設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)開關(guān)柜時(shí)，對會面臨的各種情況都要考慮到位，每個(gè)柜內(nèi)細(xì)節(jié)都有它如此設(shè)計(jì)的道理。例如，隔離開關(guān)具有的上下刀閘，有明顯的斷開點(diǎn)，便于日后的檢修。每個(gè)低壓開關(guān)柜的安全防護(hù)設(shè)計(jì)也幾近完美，考慮了人身安全和設(shè)備安全，屏體具有可靠的接地措施;將柜內(nèi)帶電部分覆蓋絕緣物;正確的選擇了接地系統(tǒng)（TT、IT、TN），保證了故障電流產(chǎn)生的時(shí)候能自動切斷電源;保證了開關(guān)設(shè)備正確的操作步驟和方法等。每個(gè)設(shè)備背后都凝聚著設(shè)計(jì)者的智慧。

參考文獻(xiàn)

[1]? 童本羽. KYN28-12開關(guān)柜的智能化改造與研究[D].華僑大學(xué)，2013.

[2]? 劉連. 12kV智能開關(guān)柜的一體化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué)，2012.

[3]? 王惠薔. 變電站10kV母線保護(hù)方案研究[D].華南理工大學(xué)，2010.

[4]? 何宇琪. 10 kV大電流開關(guān)柜發(fā)熱分析及工藝改良[J].電氣制造，2014（10）