智能低压开关柜的设计

杨代坤

摘要：经济的发展，城市化进程的加快，人们对电能的需求也逐渐增加。为提升用户体验满意度，确保供电系统的连续性、稳定性以及高可靠性，低压配电设备逐渐由传统型向集成化、智能化转变。国家明确提出建设智能电网，促进智能互联，全面提升电力系统的智能化水平。经过近几年的发展，越来越多的智能化电力设备投运到供电系统中，低压配电系统的智能控制技术得到较快的发展。本文就智能低压开关柜的设计展开探讨。

关键词：智能设备；低压开关柜；设计

引言

在传统的电力设备管理模式中，低压开关柜一旦完成调试进入正常运行状态后，就不再安排专门的人员对其进行管理，只有设备出现故障时才会进行维护，这种方式显然不能满足现代社会对供电可靠性的要求。在智能电网背景下，智能型开关柜应运而生，人们开始探索对电力系统设备的远程实时监控技术。

1开关柜的构成

智能开关柜颠覆传统开关柜设备配置方式，以智能仪表、智能断路器、智能马达保护器、软起动器及可编程逻辑控制器（PLC）等智能器件组成的配电系统代替传统以主令器件（普通指针仪表、断路器、继电器、接触器、熔断器、热继电器）组成的配电系统。传统的开关柜仅适合现场人为操作，全部由主令电器元件组成的传统配电系统往往很复杂，使用的元器件多，布线复杂，日常操作、维修非常不方便；而智能开关柜由智能器件与断路器、继电器、PLC等组成配电系统，系统内元器件少，智能元器件之间通过通信网络连接，布线简单，不仅能够就地操作，还能远程监控，如果装上通用分组无线服务（GPRS）装置，利用移动手机客户端，用户可以随时随地查看系统内各个元器件的实时运行状态。

2智能低压开关柜总体设计

本文设计的智能型低压开关柜以原有设备为基础，进一步增加智能化控制器件和逻辑，完成对传统低压开关柜的智能化升级改造。考虑到电网中的开关柜数量巨大，分布零散，因此在通信方式上采用无线通信机制，以性价比较高的CC2530单片机为主控核心，控制传感器对温度、电压、电流等参数进行实时采集和传输，一旦参数超过预设的阈值，立即启动风机等设备进行调节，实现远程监控。

3低压智能开关柜设计分析

3.1开关柜结构设计

控制板是智能开关柜的核心，透明触控一体显示器，实现人机交互。控制柜通过GPRS无线通信模块实现传输网络化数据。电压电流传感器将采集的参数传输到控制板，配合程序实现过压保护、欠压保护、缺相保护、过流保护以及故障录波等功能。

3.2机械设计

低压智能开关柜在框架结构设计方面，采用了25mm间隔模数孔的“C”形骨架，不同开关柜在连接时，均采用了横向和纵向螺栓，有效提升了连接的精准性与稳定性。在开关柜外壳设计方面，通过采用电镀和粉末进行钢板表面涂抹，更有利于开关柜耐久性提升。在一些关键位置，比如门板、顶板等，安装时采用了专门的自攻螺钉，能够显著提升安装稳固性。

3.3温度监控模块设计

温度监控模块主要由通信接口、电源模块、信号采集单元以及开关量输出等部分组成。智能开关柜直接由主母线引出220V交流电源线，首先由变压器对高压信号进行降压，再采用芯片对输出电压进行稳压调节，最后为单片机提供最佳的工作电压和电流。这种设计无需引入外部电源，避免了重复更换和维护蓄电池的麻烦。温度采集单元采用了热敏电阻，该器件在常温下的电阻值约为10k，或以满足-20-120℃的快速温度响应，测量精度也比较高，同时具有非常紧凑的结构设计，不占用过多空间。热敏电阻将温度变化转化为阻值的变化，最后通过电流变换到电压信号，再由高精度A/D转换器进行数字化，完成温度的采集。单片机与传感器之间采用串行通讯，单片机根据传感器地址来识别传感器，并对温度信号进行实时处理，当温度超过阈值时，启动风扇进行散热；当温度低于阈值时，启动加热器进行升温，使低压开关柜始终工作在最佳条件下。在发生故障或定期停电维修期间，需要对远程开关柜进行远程分合闸，采用继电器可以实现该功能。

3.4母线系统设计

在实际进行低压智能开关柜主母线系统设计时，采用了安全分隔设计理念，通过将系统与设备小室、电缆小室等进行相互独立分离，能够保证系统运行的安全性。在主母线设计方面。侧出线开关柜主母线布置在开关柜的背部，后出线开关柜主母线安装在柜体顶部。针对双层主母线系统设计，均进行了上、下两层分隔设计，在两层主母线之间，可以设计不同的截面，使得母线系统实际布置更加灵活。在不同主母线之间，能够单独存在，也可以相互串联、并联。母线数量可结合实际电流大小实际配置，一般情况下，每相由2根或4根主母线组成。在双面操作柜体设计中，采用了共同母线设计方式，并根据其运输单元进行了分隔。母线采用了铜质材料，共有三种规格，分别是30mm×10mm、40mm×10mm、60mm×10mm，即使母线规格不同，彼此也能相互相接。在进行接地保护排与中性线设计时，二者可以直接安装在开关柜下方，PE排则固定在框架上，从而能够有效确保电气运行的连续性。受相不平衡或谐波影响，当中性线需要50％或100％尺寸时或进线为4级开关时，中性线可以被放在母线小室和主母排平行。

3.5综合监控模块设计

本文的智能型开关柜可以实现对电压、电流和设备在线状态的实时测量和传输。由于开关柜中电气设备的工作电压是220V交流电，单片机无法对其进行直接的测量，因此采用电压变换的思路，通过电压互感器将220V交流电进行降压。电压互感器经过大电阻与一次侧相连，实现毫安级的电流输出，再通过电阻器转换为电压信号。由于输出电流极小，电压互感器几乎运行在空载状态，具有很好的线性关系，达到了很高的测量精度。传统电流互感器在小电流范围内具有较高的精度，但是不能很好地适应大电流的测量任务。因此本文采用分流器的方案完成电流的采集。分流器具有无磁饱和、价格低、精度高等特点，可以满足大交流电流的测量，非常适用于低压开关柜的电流监测。为了实现对设备状态的监测，本系统采用了光电耦合器、发光二极管和发光三极管的组合电路对设备工作状态进行识别，可以准确反映设备触点的开合状态，实现了对断路器、接触器等关键设备的分合闸状态监测。

3.6出线单元设计

在不同工程中，针对开关柜的需求都不一样，低压智能开关柜在配置方面更加简便，能适应各工厂的运作程序。低压智能开关柜的抽屉式设计保证工厂和操作人员的最高安全性，抽屉模块可以进行电气的连接和断开（抽出）。抽屉技术已被证明是合适的解决方案，用于需要高可用性的工业应用，尤其是马达控制中心（MCC），更加易于进行抽屉更换，有效提升了开关柜的灵活性。在插入式主件设计方面，低压智能开关柜提供了许多插入式模块供选择。开关柜不停电情况下，所有的模块都可以直进行更换。低压智能开关柜抽屉的配置如下：一是主开关（MCCB或熔断器），二是主接触器（用于电机回路和加热器回路）三是电机控制单元MC510/馈电管理单元FC61x与控制面板MP5x。

结语

低压开关柜是电力系统中重要的成套设备，智能低压开关柜能更加直观快速地获取接入设备的用电信息和运行状况。出现故障时能复现故障波形，通过远程操控节省人力物力，提高了开关柜的运行效率和经济效益。

参考文献

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