低压成套开关设备的设计

张鹏德

摘要：低压成套开关设备在供电系统中负责完成电能的控制、保护、测量、转换和分配。由于成套开关设备在各行业中需求量逐年增加，对其进行合理的设计极为重要，从而提高设备的工作性能和使用效率。对于现代电气设备中常用的低压成套开关设备，主要可以从电路、元器件及母排导线、壳体以及总装图与布置图四个方面进行设计。

关键词：低压；成套开关设备；设计

随着经济发展，在现代电气控制中低压成套开关设备处于重要地位，极大地方便了工作效率和用电安全。但为了保证设备的整体性能，对其存在的问题进行优化设计，从而提高设备效率、用电安全及节约能耗。

一、电路的设计

电路设计是通过一定的规则和方法设计出符合使用要求的电路，电路是由电气设备和元器件按一定方式连接起来，为电流流通提供路径的总体。设计要遵循可靠、安全、灵活、经济及合理的基本原则。

1、在设计主电路时，要根据供电系统的数据、开关设备的用途、设备安装与运行的环境条件、防护等级、柜体结构、安装方式及其它特殊要求等，设计出合理的方案。

（1）根据环境条件，计算出合理的负荷容量，确保系统在出现故障时不会影响设备的正常运行。在设计时，不仅要考虑设备自身的安装问题，还要考虑设备的运行环境条件，运行环境条件主要包括：a）若环境中存在较多带电粒子和粉尘时，选择体积小且密封性较强的元件；b）在海拔较高或易发生震动的地区，选用抗震性较强的元件；c）在易燃易爆区域，选用防爆性较强的元件。

（2）根据用电情况，确定高频运行和低频运行时的状态，设计合理的运行方案，保证系统性能，达到节能增效的目的。

（3）根据供电系统，设计合理的电路排布、元器件选型，保证设备的可靠性、安全性和经济性。

2、在设计辅助电路时，应考虑电源接地系统并保证接地故障或带电部件和裸露导电部件之间的故障不会引起危险误动作。要根据设备的运行状态及用户需求，设计控制电路和测量电路。

（1）过流保护分为过载保护和短路保护。过载保护通过保护器件的组合对设备和线路起到保护作用，过流保护器件主要是由熔断器、断路器、接触器、热继电器元件或其组合构成；短路保护的功能是尽快切除短路电流，把故障限制在最小范围内。

（2）选择性保护是在最短时间内只有与故障点最近的保护电器动作。实现选择性的依据包括：时间分级配合、电流分级配合；与电流有关的时间分级配合。

二、元器件及母排、导线的设计

成套开关设备中元器件及母排、导线的选择，关系到整个设备以及供电系统的性能及工作效率。

1、根据成套开关设备安装处电源系统电压的变化，确定成套开关设备能正常运行的额定工作电压，从而确定设备内所装电器元件的最高允许工作电压，一般应保证电器元件的最高额定工作电压不小于成套开关设备的额定电压值。设备中一条电流的额定电流由内装电气设备的额定值及其布置和应用情况来确定。

2、在进行元器件及母排、导线的设计时：

（1）元器件的选择应满足使用环境条件下正常运行、检修、短路和过压的要求；元器件允许最高工作电压不得低于该回路最高运行电压；元器件长期允许接通电流不得低于该回路最大持续工作电流；元器件应满足短路条件下的动稳定、热稳定要求；在成套设备内布置元器件时，应符合规定的电气间隙和爬电距离。

（2）当前常见的母排材料主要有铝、铜两种，一般选用铜制母排较多。母线截面形状的选择应考虑集肤效应、邻近效应，电磁波渗透深度等因素的影响，并要求散热良好、机械强度高、安装简单和连接方便。成套开关设备用母线一般选矩形，为增加散热面积，减少集肤效应的影响，并兼顾机械强度，母线的边比通常选择1/12～1/5。母排的截面积不仅与其承载电流有关，还应考虑母排的安装、敷设方式、与其连接的元件的种类及其出线尺寸、所承受的机械应力。为避免集肤效应过大，单根母线的截面积不应大于1000～1200mm2。当单根母线不能满足载流量要求时，每相可用两根或三根矩形，母排的允许电流不因根数增加而成倍增加。两根间的距离一般应等于（或大于）其单根的厚度，以保证散热良好。当每相用三根时，中间一根的电流约占20%，两边各占40%。

（3）导线的额定电压应高于设备的工作电压；导线截面积应能承受电路中允许的最大长期工作电流，通常电压回路导线截面积用1.5mm2,电流回路导线截面积用2.5mm2，如果连线较长，应考虑适当加粗导线。如果相导线的截面积超过10mm2，中性线则等于相导线载流量的一半，但不能小于10mm2。PEN导体截面积的选择与中性线截面积的选择方法相同。

三、壳体的设计

对低压成套开关设备的壳体，主要对其外形结构、机械强度、防护等级、安装及固定方式、门和面板材料、通风孔的设计和安装、对腐蚀的要求以及壳体的外形尺寸进行设计。具体要求如下：

1、根据设备的技术要求并考虑到检修的方便确定设备外形结构。例如，对防护等级要求高的，选用封闭式；对电路性能要求高、电路隔离的，选用抽出式或隔离式；对空间利用率要求高的，选用悬挂式、嵌入式或柱上安装式。

2、壳体应有足够的机械强度保证能承载分断时的电动力、提升以及运输后壳体不变形，特别是GCK、GCS、MNS等一些开关柜，若整体强度不够可在柜子的顶部和底部分别加装槽钢支架。

3、根据使用环境及对安全性、可靠性的要求确定防护等级。

4、安装方式根据设备是位置，靠墙明挂还是嵌入式安装固定，并确定可进行维护的面，是单面还是双面。

5、门和面板材料选择时要根据实际情况和用户要求，一般计量箱的观察窗设计为透明材料。

6、通风孔设计时应考虑当熔断器、接触器、断路器在正常工作时或在短路情况下，不能有电弧或己熔金属喷出。当喷弧源距通风孔较近，在两者之间加装隔弧板，尺寸每边应大于通风孔外形10mm。通风孔的设计不应使整个外壳的强度及防护等级有明显下降，外壳顶部的通风孔应遮盖覆板。

7、对耐腐蚀的要求需根据安装使用环境确定。

四、总装图与布置图的设计

1、满足元件的使用要求。设计时要考虑元件使用环境及要求，例如开关的飞弧距离。

2、元器件间应保证其功能不因其相互影响（如电弧、发热、振动等）而受到损害。

3、元器件、母线、线束及结构件之间要留有足够空间。保证电气间隙和爬电距离；保证元件安装、接线、操作、维修等工作所需要的空间。

4、屏面元件的布置应便于观察、易于操作，指示表计的中心高度一般在距地面1.7～2m，电能计算表计的中心高度一般在距地面为0.6～0.8m，操作器件（如手柄、按钮等）的中心高度应在距地面0.8～1.6m。

5、发热元件与相邻元器件之间留出散热距离。

6、布局要合理。同一电路的元件相对在同一水平线或同一垂直线上集中布置，发热元件尽量布置在上部，重量较大的电器元件应布置在下部，母排、导线的布置应尽可能减少涡流的影响。

五、结语

低压成套开关设备适用于发电、输电、配电、电能转换以及控制电能消耗等场所，随着国民经济飞速发展，经济建设的投入加大，极大地刺激了该行业的发展，基础设施和人民生活对电的需求也越来越大，用电形式也在逐渐改变，设计出更加合理优质的电气设备方案，是解决用电供求矛盾的有效措施，以实现设备使用性能的整体提升。

参考文献

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