浅谈低压开关柜的设计

苏天颐

摘  要：电力系统中，高低压开关柜发挥重要作用，可有效控制电力运输，确保供电稳定。为确保电力系统长久稳定运行，避免由于高低压开关柜异常导致电力安全隐患，应对高低压开关柜进行全面的电气检查，避免出现故障后引起电力系统瘫痪。文章就低压开关柜进行深入分析，讲述了安全电压、电压等级、开关柜、低压成套开关设备和控制设备的基本概念，然后详细介绍了低压开关柜的分类、组成、设计、生产流程以及安全防护。

关键词：开关柜;高低压;电力系统;安全防护

1  用电等级的分类

开关柜是在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。它有两种用途，第一种用于电力系统的发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用，第二种主要用作发电厂、变电所、民用建筑等单位的受电、送电，以及高压电动机、电容器及变压器监测、控制和保护。

我们从用电等级的分类入手，先了解一级、二级、三级负荷的特点，然后，从基本概念、低压开关柜的分类、组成、设计、生产流程和安全防护六个方面进行介绍。

用电等级的分类共有三种：一级负荷（造成重大的政治影响、国民经济重大损失、人员伤亡或重大设备损坏的负荷。应设置备用电源），二级负荷（造成较大的政治影响、经济损失或引起公共场所秩序混乱的负荷。应设置备用电源），三级负荷（一般都采用单电源供电）。

我国常用的电压等级：220V、380V、6kV（火力发电厂）、10kV（常见变电站）、35kV（常见于通过光伏发电传输到主电站的电路）、110kV、220kV、330kV、500kV，1000kV。通常将35kV以上的电压线路称为送电线路，35kV及其以下的电压线路称为配电线路。

交流电压等级中，通常将1kV及以下称为低压;1kV以上、20kV及以下称为中压;20kV以上、330kV以下称为高压;330kV及以上、1000kV以下称为超高压;1000kV及以上称为特高压。根据实际生活中的使用情况，一般简单的以1kv作为低压和高压划分标准。

2  低开关柜的基本概念

首先，开关柜的基本概念。制造厂根据电气主接线的要求，将一次设备和二次设备按照一定的顺序安装在开启式或封闭式的金属壳体内，作为接受和分配电能的装置，称为金属开关装置，简称开关柜。

其次，低压开关柜的分类^[1]。根据功能分，可分为进线柜、联络柜、馈电柜、电容补偿柜、软起柜、变频柜，根据结构分，可分为固定柜、抽屉柜、固定分割柜、混装柜，分类如下图所示：

进线柜：它是把一个变压器低压侧连接至一段母线上，并提供对该段母线的过流、过压等保护的配电柜。

联络柜：它的作用是当其中一段母线由于电源侧故障而失电时，负责把两段母线连接起来，并提供对该段母线的过流、过压等保护的配电柜。

馈电柜：电能输送到利用电能工作的地方（比如一台电动机、车间照明等），功能是在正常情况下合闸送电、分闸断电，在事故状态下（设备、线路发生短路等）能及时断开开关，将事故电路停电。

电容补偿柜：电容在交流电路里可将电压维持在较高的平均值，增加电路电压的稳定性;对大功率负载的突发启动给予电流补偿，电力补偿电容组可提供巨大的瞬间电流，减少对电网的冲击;电路里大量的感性负载会使电网的相位产生偏差，而电容在电路里的特性与电感正好相反，起补偿作用。

软起柜：降低电动机起动电压和电流，起动速度平稳可靠，减少对电网冲击。

按照柜型分类产生了国内外不同型号的开关柜，而大部分国内柜型是在ABB公司系列柜型的基础上自主研发的。低压开关柜的设计基于IP等级进行不同程度的防护，有固体（粉尘）防护和水防护两个指标组成。基于不同电压等级下的电气间隙和爬电距离对相邻电部件设计间隔长短。

第三，低压开关柜的组成。低压成套开关设备和控制设备则由一个或多个低压开关设备和与之相关的控制、测量、信号、保护、调节等设备^[2]，由制造厂家负责完成所有内部的电气和机械的连接，用结构部件完整地组装在一起的一种组合体，由结构部分、电气部分、基本电气元件三部分组成。它在结构组成上分为四个部分：母线单元、电气设备单元、进出线单元和监控小室。

它按电气组成来分为一次回路和二次回路，按照元件的不同分为一次元件和二次元件，柜内常用一次电器元件（主回路设备）常见的有以下设备：电流互感器、电压互感器、零序互感器、开关柜、接地开关、避雷器、隔离开关、高压断路器、高压接触器、高压熔断器、变压器、高压带电显示器、绝缘件、主母线等;柜内常用的主要二次元件（二次设备或辅助设备），常见的有如下设备：继电器、电度表、电流表、电压表、功率表、功率因数表、熔断器、空气开关、转换开关、信号灯、电阻等，如下图所示：

第四，低压开关柜的基本设计流程^[3]为：

（1）根据供电电源和用电设备（负载）的特性要求，同时结合用户的操作检修要求绘制一次系统图;

（2）根据单个回路的负载情况计算出每个回路的回路電流，并根据回路电流配置此回路的断路器，电动机回路还需要配置接触器热继电器等保护设备;

（3）确定变压器的容量和总开关的额定电流;

（4）选择柜型（考虑额定电流级别，用户要求，成本，外观，档次，实用性能）;

（5）根据元件尺寸及进出线要求，结合环境因素确定柜体尺寸;

（6）如果此配电系统为多面屏组合还需要确定水平母线;

（7）根据用户的操控和监视要求确定二次控制回路，并绘制二次原理图;

（8）根据上述步骤出来的一、二次图纸制定生产所需要的设备材料表，接线图，生产指导文件，即可生产。

3  开关柜的安全防护

当然，开关柜的防护措施也非常重要，常用五种方法进行防护^[4]，1）屏体可靠的接地措施;2）将柜内带电部分覆盖绝缘物;3）正确的选择接地系统（TT、IT、TN），保证故障电流产生的时候能自动切断电源;4）开关设备正确的操作步骤和方法;5）断路器防护。这些是十分重要的，因为它可以在遇到危险时起到决定性作用。

4  结论

设计者在设计开关柜时，对会面临的各种情况都要考虑到位，每个柜内细节都有它如此设计的道理。例如，隔离开关具有的上下刀闸，有明显的断开点，便于日后的检修。每个低压开关柜的安全防护设计也几近完美，考虑了人身安全和设备安全，屏体具有可靠的接地措施;将柜内带电部分覆盖绝缘物;正确的选择了接地系统（TT、IT、TN），保证了故障电流产生的时候能自动切断电源;保证了开关设备正确的操作步骤和方法等。每个设备背后都凝聚着设计者的智慧。

参考文献

[1]  童本羽. KYN28-12开关柜的智能化改造与研究[D].华侨大学，2013.

[2]  刘连. 12kV智能开关柜的一体化设计及实现[D].华中科技大学，2012.

[3]  王惠蔷. 变电站10kV母线保护方案研究[D].华南理工大学，2010.

[4]  何宇琪. 10 kV大电流开关柜发热分析及工艺改良[J].电气制造，2014（10）