基于温升试验对低压成套设备控制柜结构设计的探讨.pdf

2023 年第 5 期（总第 11 期）【技术探析】基于温升试验对低压成套设备控制柜结构设计的探讨张业真（福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002）摘要：文中介绍了低压成套开关设备控制柜中固定式与抽出式常见的内部结构形式与布局设计。通过改变开关额定分散系数进行温升测试结果对比，分析两种柜型在内部结构布局设计中存在的不合理之处，以及在实际使用过程中存在的安全隐患，并提出一些能够改进控制柜结构设计的方案与措施，以便能够更好地满足温升测试要求，降低存在的风险，提高设备安全性能。关键词：控制柜；结构设计；温升测试；额定分散系数Discussion on Structural Design of Control Cabinet of Low-Voltage Complete Equipment Based on Temperature Rise TestZHANG Yezhen(Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality,Fuzhou 350002,Fujian,China)Abstract:This paper introduces the common internal structure and layout design of the fixed type and the pull-out type in the low-voltage switchgear assembly control cabinet.By changing the rated dispersion coefficient of the switch,the temperature rise test results were compared to analyze the unreasonable place in the internal structure layout design of the two cabinet types,as well as the hidden danger in the process.And some schemes and measures were put forward to improve the structural design of control cabinet so as to better meet the requirements of temperature rise test,reduce existing risks and improve device safety performance.Key Words:Control cabinet;Structural design;Temperature rise test;Rated dispersion coefficient收稿日期：2022-12-20作者简介：张业真，男，福建省产品质量检验研究院，工程师0 引言低压开关柜作为电力系统的重要组成部分，设计的合理性直接决定着电气元件的使用性能，影响电力系统的运行情况1。目前，常见低压成套开关设备是由进线柜、馈电柜、控制柜三个不同功能柜型组合在一起。而现阶段低压开关柜中控制柜的具体结构类型包括固定式与抽出式2。其内部开关元器件大多由塑料外壳式断路器、接触器、热过载继电器组合而成。在这两种结构设计模式中，控制柜可由多个相互独立的出线回路构成，回路采用竖向排列组合形式。在竖向排列组合中，从上至下每条出线回路内部开关额定电流通常采用由小到大设计，且由于没有明确、统一的数据支持，所以在产品的设计和制造过程中，常常因母线选型不正确而导致事故发生3。因此，文中将通过目前控制柜常用的设计结构，利用温升测试数据分析其存在的问题与不足之处，并提出相应的改善方案，提升控制柜的温升性能与设备安全。1 固定式与抽出式结构1.1 固定式结构固定式结构是指将设备固定在特定位置，以提升低压开关柜稳定性，便于日后柜体拆装，提升电气元件维护工作开展的便利性2。它的外部操作机构由合闸与分闸两种位置，内部开关通过一个基座将塑壳断路器安装在开关基座上。开关进线端通2023 年第 5 期（总第 11 期）【技术探析】过导线或铜排与母排相连。其中外观与内部设计见图1。图 1 控制柜固定式外观与内部结构1.2 抽出式结构抽出式柜体具有可移动特性，有利于更换电器元件。它的外部操作机构具有连接、分离、试验三个操作位置，整个功能单元可以抽出更换。抽屉内开关进线端通过导线或铜排与一次接插件一端相连，接插件另一端直接插入母排，形成紧密联合。其中外观与内部设计见图 2。图 2 控制柜抽屉式外观与内部结构2 标准中温升试验要求在标准 GB 7251.1-2013 中附录 E 额定分散系数条规定：实际上，通常并不要求成套设备内的所有电路都能持续、同时承载额定电流。几个电流可承担重载，而其他电路则承担轻载或断开。因此，没有必要配备一个所有电路能在额定电流下连续运行的成套设备，这样将造成材料和资源的低效率利用4。目前，大部分低压成套开关设备在温升试验中，都是通过制造商指定额定分散系数分配所有出线电路或一组出线电路额定电流值。额定分散系数适用于在额定电流(InA)下运行的成套设备4。因而，开关柜所有出线电路温升试验电流通常采用降电流测试。例如，开关额定电流(In)为 250 A，实际温升试验电流(InA)可能降为 200 A。在标准GB 7251.1-2013中10.10.2.3.510.10.2.3.7条款中给出了三种试验方法，它们所需的试验次数和试验结果应用范围的区别，在标准中已给出了详细解释。而文中采用的温升试验方法条款为10.10.2.3.5 条：整个成套设备的验证。成套设备的进、出电路应通以额定电流，即等效额定分散系数等于 14。温升试验电流外接导线按标准表11、表 12 中要求。3 温升试验验证本次温升试验将采用两台单独的控制柜进行温升试验测试。柜型结构分别为固定式与抽屉式。其中，固定式开关柜由 5 条出线电路组成，抽出式开关柜由 6 条出线电路组成。3.1 固定式开关柜温升试验固定式开关柜内部开关为塑料外壳式断路器，开关额定电流分别为C1回路：160A，C2和C3回路:250A，C4 和 C5 回路：400A。温升测试布置图见图 3。图 3 固定式开关柜温升测试布置图图中 a1 a10 为温升热电偶布置点代号。温升试验通过两种方式测试。第一种，温升试验电流通以制造商规定的额定分散系数为 1 时的额定电流；第二种，温升试验电流通以断路器铭牌标称的额定电流。（1）各回路通以制造商规定额定分散系数为1 时的额定电流第一种温升试验电流以制造商规定的额定电流2023 年第 5 期（总第 11 期）【技术探析】（InA）进行，额定分散系数为 1。温升试验方案采用 a 方式，每条出线电路开关均降电流通电。温升实际试验电流与温升值如表 1 所示。（2）各回路通以断路器铭牌标称的额定电流第二种温升试验电流不考虑额定分散系数要求，每条回路都通以断路器铭牌标称的额定电流。温升试验电流与温升值如表 2 所示。3.2 抽出式温升试验抽出式温升试验出线电路由 C1 C6 六条出线电路组成。其中，C1和C2回路是1/2柜，内部结构、开关型号等都是相同的。温升试验电流由制造商规定，额定分散系数为 1，温升试验方案采用 a 方式。温升测试布置图见图 4，温升试验电流与温升值见表3。由于C1和C2回路相同，故C2回路温升未测试。图 4 抽出式开关柜温升测试布置图同样以一台结构为抽出式开关柜，开关额定电流从大到小排列组合进行温升测试。其温升测试布置图与温升数据分别见图 5 和表 4。表 1 额定分散系数为 1 时固定式开关柜温升试验电流与温升值表 2 通以断路器铭牌标称额定电流时固定式开关柜温升试验电流与温升值回路 额定电流/A 试验电流/A 断路器进线端温升/K 断路器出线端温升/K 母线连接处温升/K 周围温度/A B C A B C A B C A B C C1 132 133 133 133 47.6 46.8 43.8 35.8 38.2 35.4 47.6 45.9 41.2 38.8C2 205 206 205 205 68.1 68.9 66.5 54.2 60.9 56.2 37.4 37.9 36.3 41.9C3 205 205 207 206 63.4 65.4 62.9 51.8 57.6 55.2 30.1 31.1 28.9 33.2C4 326 331 330 331 51.1 58.5 53.9 51.1 53.6 50.8 23.9 26.0 24.9 33.8C5 326 329 332 331 50.9 55.9 53.1 49.8 52.4 50.2 21.2 23.8 21.9 29.1回路 额定电流/A 试验电流/A 断路器进线端温升/K 断路器出线端温升/K 母线连接处温升/K 周围温度/A B C A B C A B C A B C C1 160 161 162 161 64.5 63.6 59.9 49.2 52.9 49.0 58.4 61.9 53.9 44.7C2 250 252 251 251 98.1 106 87.4 74.5 88.9 87.4 47.0 49.4 50.1 47.1C3 250 250 253 252 92.8 101 90.8 72.4 83.8 73.8 42.5 43.1 40.9 36.4C4 400 402 403 403 62.5 80.5 75.7 62.0 74.2 71.9 29.5 32.4 33.3 36.4C5 400 401 402 401 63.4 78.8 74.9 59.8 71.3 70.8 27.8 30.2 30.9 35.4表 3 额定分散系数为 1 时抽出式开关柜温升试验电流与温升值回路 额定电流/A 试验电流/A 断路器进线端温升/K 断路器出线端温升/K 插件连接处温升/K 周围温度/A B C A B C A B C A B C C1 25.0 25.2 25.1 25.1 44.1 45.9 43.6 41.5 43.1 41.9 44.5 44.1 43.0 61.7C2 25.0 25.1 25.1 25.3 C3 125 127 126 126 50.6 50.9 50.2 49.2 50.3 50.0 51.8 52.0 52.4 59.1C4 220 220 221 221 45.7 46.9 46.1 47.3 48.8 48.1 38.4 42.3 42.3 73.1C5 220 222 223 222 44.8 45.9 44.5 46.1 47.9 46.9 33.2 37.3 36.6 62.4C6 385 386 386 387 39.1 43.9 35.1 44.7 41.4 4 0.3 31.3 35.9 30.3 59.82023 年第 5 期（总第 11 期）【技术探析】图 5 额定电流从大到小排列组合抽出式开关柜布置图4 温升结果分析结合以上温升测试结果分析，两种柜型在设计上存在以下问题：（1）当控制柜出线电路采用从上至下竖列组合，开关额定电流依次从小到大布局设计时，母排连接处或一次接插件连接处的温升呈现出由高到低走势，额定电流越小部位温升反而越高。而采用图5 结构时，其接插件温升有明显改善。造成此原因是由于最上层出线电路开关额定电流小，其连接的导线、铜排、接插件载流量面积也更小。当导体通过电流时，其内部产生的热量一部分使导体本身的温度升高。依据图 6 试验电流方向可知，最上层 C1 回路 a2 点流过的电流等于 I 总的总电流。因而，此部位的母排连接处、一次接插件连接处承载的电流最大，导致其温升比其它回路要高很多。其中，固定式开关柜母排连接处温升变化曲线如图 7 所示。图 6 固定式开关柜试验电流方向 图 7 固定式开关柜母排连接处温升变化曲线另外，当采用电流从小到大竖向排列组合设计时，最底层回路试验电流最大，产生的热量相对也会更高。导致热气会从最底层向上层传递，使上层开关周围空气温度升高。间接造成上层出线回路开关进出线端子温升升高。（2）在目前低压成套开关设备温升测试中，不论是标准还是制造商都允许通过额定分散系数降低开关额定电流进行温升测试，以便能更好地通过温升试验。这种测试方案虽能满足标准要求，但在实际使用过程中会影响开关自身动作特性保护功能。从文中固定式开关柜进行的两次温升试验测试结果可知，当温升试验电流采用断路器额定电流通电时，任何位置的温升比采用额定分散系数为 1 时表 4 额定电流从大到小排列组合抽出式开关柜温升试验电流与温升值回路 额定电流/A 试验电流/A 断路器进线端温升/K 断路器出线端温升/K 接插件连接处温升/K 周围温度/A B C A B C A B C A B C C1 203 203 203 204 30.9 33.1 32.2 32.4 35.8 34.3 29.4 30.1 28.9 43.5C2 203 203 204 204 22.1 23.8 22.7 42.5 C3 203 204 204 203 14.7 17.7 16.7 38.9C4 127 128 127 128 25.6 27.1 27.9 24.9 26.1 24.4 8.6 9.2 8.4 38.6C5 64.0 64.1 64.2 64.2 22.2 23.9 22.1 20.5 21.9 21.1 7.8 8.1 7.5 37.82023 年第 5 期（总第 11 期）【技术探析】的温升要高许多，甚至超过标准中70 K温升极限值。由于采用制造商规定的额定分散系数，通过降低开关额定电流进行温升测试过程中，忽视了开关柜在实际使用过程中线路负载电流可能达到开关额定电流。那么，在这种情况下整个开关柜温升将超过温升极限值，长期运行将导致开关柜各个部件绝缘件性能降低、损坏等问题。（3）开关柜中塑壳断路器除了作为断开、接通线路作用外，还具有线路发生过载、短路时起到脱扣保护作用。在标准 GBT 14048.2 中表 6 规定了反时限过电流断开脱扣器在基准温度下的断开动作特性5，如表 5 所示。依据反时限动作曲线，负载电流越大，脱扣时间越快。表 5 反时限过电流断开脱扣器在基准温度下的断开动作特性5以固定式开关柜温升试验电流参数为例，如表6 所示。表 6 固定式开关柜温升试验电流参数在表 6 电流参数中，使用额定分散系数降电流进行温升试验时，开关额定电流与温升试验电流相差近 1.22 倍。结合表 5 中要求，当线路过载电流达到表 7 中 1.3In 电流时，采用额定分散系数分配试验电流，断路器未达到约定脱扣电流，无法对整个线路起到过载保护作用。表 7 1.3 倍过载电流5 设计改善方案 通过上文温升测试与结果分析，文中根据实际试验情况，对控制柜结构设计提出以下几点改善方案：1）将固定式、抽出式控制柜出线电路从上至下竖向排列方式中，开关额定电流由从小到大组合，改为从大到小排列组合。通过这种设计方式可以使出线电路中小电流回路母排连接处或一次接插件承载更小的负载电流。同时也能有效降低由底层大电流产生的热量从下往上传导带来的影响。2）由于控制柜每个出线电路都是相互独立且内部空间狭小，极易造成通风与散热性能下降，导致回路内部热量积聚无法更好地散热。因此，除了可以通过加装风扇等散热措施降低每个出线电路内部空气温度外，还可以通过增加导线、铜排、一次回路接插件截面积，使其能够承载更大的电流，以此减少导线、铜排产生的热量。在标准 GB 7251.1-2013 中表 11、表 12 规定了用于额定电流使用的试验导线最低要求值，以及在参考文献6中给出了低压成套设备（100630）A 额定电流对应的导线或铜排截面积尺寸选择参考值，如表 8 所示。表 8 电流与相应导线截面积选择参考值63）标准 GB 7251.12 中虽规定了允许在进行温升试验时，可以通过额定分散系数降低每条出线电路额定电流进行试验。但同时也规定了其他两种试验方案，其中一种方案就是每个功能单元应当承载其自身的最大额定电流。因此，在进行低压成套设备控制柜结构设计时，可以结合 1）、2）两点合理应用与设计，在辅以风扇等散热措施，以此降低每个测试点温升，并保证与导体相连接的电器能正常工作，尤其是具有热过载保护特性的电器元件保护动作正确9。使控制柜每个功能单元中使用到的开关能够满足其自身的保护动作性能，保障设备与人身安全。所有相极通电 约定时间/h约定不脱扣电流 约定脱扣电流 1.05 倍整定电流 1.3 倍整定电流 2aa:当 In 63A 时，为 1h。回路 C1 C2 C3 C4 C5开关额定电流/A 160 250 250 400 400温升试验电流/A 132 205 205 329 329 相差倍数 1.22 回路 C1 C2 C3 C4 C51.3In 过载电流/A 208 325 325 520 520 172 267 267 428 428电流/A 铜母线截面积/mm2 630 606 500 505 400 405 315 305 250 303 200 253160/125 203 100 153下转（第 35 页）2023 年第 5 期（总第 11 期）【技术探析】4 结语水泥在我国的应用涉及生活的方方面面，我国从 1906 年开始生产水泥，于 1952 年诞生第一个全国统一标准，确定了水泥生产以多品种多标号为原则，并将波特兰水泥按照其所含的主要矿物组成改成硅酸盐水泥沿用至今14。虽然经历了百余年的发展，但是水泥真正意义上的发展在近 20 年，从刚开始的技术不成熟、生产线自动化程度低，到现在的飞速发展。目前，国内水泥产品的水平已经和发达国家基本同步，水泥各方面性能都已经达到国际标准，但是在环保型水泥上依然需要更多的投入与发展，进一步降低生产成本，减少生产垃圾甚至是变废为宝，降低水溶性铬的含量，能在水泥生产工艺的每一个环节做到实时预警监控，让出产的每一份水泥都能达到国家标准。在提高产品质量的前提下，实现水泥绿色生产，开发绿色功能，实现经济发展与环境保护的双赢。参考文献1 张格,戴平,王雅兰,等.2020 年全国水泥中水溶性铬()风险监测数据分析报告 J.中国水泥,2021(S01):5.2张瑞国.水泥中水溶性六价铬的来源及控制措施分析J.中国水泥,2018(5):3.3 刘骥,潘果,覃金凤,等.水泥中水溶性铬()和总铬的主要来源分析J.水泥技术.2022,1(1):23-26.4王瑾.水泥产品中水溶性铬的控制现状及其危害J.居业,2021(12):2.5 邓磊,蔡攀.浅谈水泥中水溶性铬（）的质量控制要点 J.水泥,2021(12):25-26.DOI:10.13739/11-1899/tq.2021.12.008.6 刘建军.通过调整水泥原材料有效控制水泥水溶性六价铬含量的实践 J.2021.7 张贞宁.浅析降低福建省水泥产品中水溶性六价铬的应对措施 J.福建建材,2016(1):3.8邵柏泉.钛白粉渣消解水泥中水溶性铬()的实践J.水泥工程,2020(3):4.9 马传杰,周斌,王升平,等.钢渣配料对水泥中铬()的影响 J.水泥,2019,000(003):1-2,8.10 王维春.水泥中水溶性六价铬含量影响因素与降低措施研究 J.中国建材科技,2019.11 刘丽芬,白晓光,张建华,等.除铬剂在水泥生产中的应用及注意事项 J.中国水泥,2020.12 任建波,张露瑶,王倩,等.水泥生产铬的来源及水溶性铬()的转化研究 J.水泥,2020(11):5.13 陈肇友.抑制含 Cr2O3耐火材料中六价铬化合物形成的途径 C/全国耐火材料青年学术报告会.中国金属学会,2010.14 周张健.无机非金属材料工艺学 M.中国轻工业出版社,2010.6 结论通过合理改变控制柜出线电路电流排列组合，以及增加开关进出线端与母排连接处的铜排、导线、一次接插件载流截面积，在测试过程中对降低温升有较明显的积极作用。参考文献1王冬艳.低压开关柜结构设计对电气性能的影响J.大众标准化,2020(10)79-80.2杨永久.低压开关柜结构设计对电气性能的影响J.现代制造技术与装备,2020(02):73-74.3王策,张磊.一起电容器起火事故分析及防范措施J.电气技术,2015,16(2):126-128.4全国低压成套开关设备和控制设备标准化技术委员会.低压成套开关设备和控制设备 第 1 部分:总则:GB/T 7251.1-2013.S.北京:中国标准出版社,2014:2.5 全国低压电器标准化技术委员会.低压开关设备和控制设备 第 2 部分:断路器:GB/T 14048.2-2020.S.北京:中国标准出版社,2020:9.6 陈秀英.低压成套开关设备内部母线的选择与安装及电气连接 J.电工电气,2012(03):36-40.上接（第 26 页）