淺談低壓開關柜的設計獲獎科研報告

淺談低壓開關柜的設計獲獎科研報告

摘

要：電力系統(tǒng)中，高低壓開關柜發(fā)揮重要作用，可有效控制電力運輸，確保供電穩(wěn)定。為確保電力系統(tǒng)長久穩(wěn)定運行，避免由于高低壓開關柜異常導致電力安全隱患，應對高低壓開關柜進行全面的電氣檢查，避免出現故障后引起電力系統(tǒng)癱瘓。文章就低壓開關柜進行深入分析，講述了安全電壓、電壓等級、開關柜、低壓成套開關設備和控制設備的基本概念，然后詳細介紹了低壓開關柜的分類、組成、設計、生產流程以及安全防護。

關鍵詞：開關柜;高低壓;電力系統(tǒng);安全防護

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用電等級的分類

開關柜是在電力系統(tǒng)進行發(fā)電、輸電、配電和電能轉換的過程中，進行開合、控制和保護用電設備。它有兩種用途，第一種用于電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、電能轉換和消耗中起通斷、控制或保護等作用，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、電容器及變壓器監(jiān)測、控制和保護。

我們從用電等級的分類入手，先了解一級、二級、三級負荷的特點，然后，從基本概念、低壓開關柜的分類、組成、設計、生產流程和安全防護六個方面進行介紹。

用電等級的分類共有三種：一級負荷（造成重大的政治影響、國民經濟重大損失、人員傷亡或重大設備損壞的負荷。應設置備用電源），二級負荷（造成較大的政治影響、經濟損失或引起公共場所秩序混亂的負荷。應設置備用電源），三級負荷（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)電傳輸到主電站的電路）、110kV、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。根據實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準。

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低開關柜的基本概念

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

其次，低壓開關柜的分類[1]。根據功能分，可分為進線柜、聯絡柜、饋電柜、電容補償柜、軟起柜、變頻柜，根據結構分，可分為固定柜、抽屜柜、固定分割柜、混裝柜，分類如下圖所示：

進線柜：它是把一個變壓器低壓側連接至一段母線上，并提供對該段母線的過流、過壓等保護的配電柜。

聯絡柜：它的作用是當其中一段母線由于電源側故障而失電時，負責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、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（設備、線路發(fā)生短路等）能及時斷開開關，將事故電路停電。

電容補償柜：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;對大功率負載的突發(fā)啟動給予電流補償，電力補償電容組可提供巨大的瞬間電流，減少對電網的沖擊;電路里大量的感性負載會使電網的相位產生偏差，而電容在電路里的特性與電感正好相反，起補償作用。

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

按照柜型分類產生了國內外不同型號的開關柜，而大部分國內柜型是在ABB公司系列柜型的基礎上自主研發(fā)的。低壓開關柜的設計基于IP等級進行不同程度的防護，有固體（粉塵）防護和水防護兩個指標組成?；诓煌妷旱燃壪碌碾姎忾g隙和爬電距離對相鄰電部件設計間隔長短。

第三，低壓開關柜的組成。低壓成套開關設備和控制設備則由一個或多個低壓開關設備和與之相關的控制、測量、信號、保護、調節(jié)等設備[2]，由制造廠家負責完成所有內部的電氣和機械的連接，用結構部件完整地組裝在一起的一種組合體，由結構部分、電氣部分、基本電氣元件三部分組成。它在結構組成上分為四個部分：母線單元、電氣設備單元、進出線單元和監(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，柜內常用一次電器元件（主回路設備）常見的有以下設備：電流互感器、電壓互感器、零序互感器、開關柜、接地開關、避雷器、隔離開關、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;柜內常用的主要二次元件（二次設備或輔助設備），常見的有如下設備：繼電器、電度表、電流表、電壓表、功率表、功率因數表、熔斷器、空氣開關、轉換開關、信號燈、電阻等，如下圖所示：

第四，低壓開關柜的基本設計流程[3]為：

（1）根據供電電源和用電設備（負載）的特性要求，同時結合用戶的操作檢修要求繪制一次系統(tǒng)圖;

（2）根據單個回路的負載情況計算出每個回路的回路電流，并根據回路電流配置此回路的斷路器，電動機回路還需要配置接觸器熱繼電器等保護設備;

（3）確定變壓器的容量和總開關的額定電流;

（4）選擇柜型（考慮額定電流級別，用戶要求，成本，外觀，檔次，實用性能）;

（5）根據元件尺寸及進出線要求，結合環(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）根據上述步驟出來的一、二次圖紙制定生產所需要的設備材料表，接線圖，生產指導文件，即可生產。

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開關柜的安全防護

當然，開關柜的防護措施也非常重要，常用五種方法進行防護[4]，1）屏體可靠的接地措施;2）將柜內帶電部分覆蓋絕緣物;3）正確的選擇接地系統(tǒng)（TT、IT、TN），保證故障電流產生的時候能自動切斷電源;4）開關設備正確的操作步驟和方法;5）斷路器防護。這些是十分重要的，因為它可以在遇到危險時起到決定性作用。

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結論

設計者在設計開關柜時，對會面臨的各種情況都要考慮到位，每個柜內細節(jié)都有它如此設計的道理。例如，隔離開關具有的上下刀閘，有明顯的斷開點，便于日后的檢修。每