低压开关柜在地铁低压主配电系统中的应用

王启明

[摘    要]文章系统阐述了低压开关柜的常用参数，结构和方案。介绍低压主配电系统中，额定电压和电流的选取，内燃弧人身保护电流的选取，外壳防护等级和分隔型式的定义和选取，进出线方式的选取和柜型的选取。基于地铁行业的本身的特点，针对关键问题进行了深入分析和进行了解决方案的讨论。对配插拔式开关的固定柜与抽屉柜的不同特点进行对比分析，结合地铁实际项目需要，用配插拔式开关的固定柜来安装大电流馈电回路。照明柜的一次设计与开关柜的标准结构存在冲突，把抽屉柜改成配插拔式开关的固定柜。三级负荷的每个回路需要安装电动操作机构，抽屉柜的功能单元安装电动操作机构会导致机械联锁失效，存在安全隐患，都改为配插拔式开关的固定柜。通过以开关柜的特点以基础，并结合地铁的低压配电系统的实际需求，选择合适的开关柜方案，选用配插拔式开关的固定柜，具有安全可靠，经济适用和方便维护等特点，可以很好地满足地铁低压主配电系统的要求。

[关键词]低压开关柜;配插拔式开关的固定柜;地铁

[中图分类号]TM591 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）10–0–03

Application of Low-Voltage Switchgear in Metro

Low-Voltage Main Power Distribution System

Wang Qi-ming

[Abstract]This article systematically expounds the common parameters， structures and schemes of low-voltage switchgear. It focuses on the selection of rated voltage and current in the low-voltage main power distribution system， the selection of personal protection current for internal combustion arc， the definition and selection of enclosure protection class and partition type， the selection of inlet and outlet methods， and the selection of cabinet types. Based on the characteristics of the subway industry， in-depth analysis and discussion of solutions were conducted for key issues. A comparative analysis of the different characteristics of the fixed cabinet with plug-in switches and drawer cabinets is carried out， combined with the actual project needs of the subway， the fixed cabinet with plug-in switches is used to install the large current feeder circuit. The primary design of the lighting cabinet conflicted with the standard structure of the switch cabinet， and the drawer cabinet was changed to a fixed cabinet with plug-in switches. Each circuit of the three-level load needs to be installed with an electric operating mechanism. The installation of an electric operating mechanism in the functional unit of the drawer cabinet will cause the mechanical interlock to fail， and there is a safety hazard. All of them are changed to a fixed cabinet equipped with a plug-in switch.

[Keywords]low-voltage switch cabinet; fixed cabinet with plug-in switch; subway

1 低壓开关柜综述

1.1 基本定义

低压开关柜是由一个或多个低压开关器件和与之相关的控制、测量、信号、保护、调节等设备，以及所有内部的电气和机械的连接及结构部件构成的组合体。

1.2 常用参数

1.2.1 额定工作电压Ue

电气成套厂宣称的与额定电流共同确定设备使用的电压值。任何电路的额定工作电压应不小于其所连接的电气系统的标称电压。对于多相电路是指相间电压，不考虑瞬态电压，由于系统允差，电源电压值可以超过额定电压。

1.2.2 额定绝缘电压Ui

电气成套厂对设备或其部件规定的耐受电压有效值，以表征其绝缘规定的（长期）耐受能力。对于多相电路是指相间电压。额定绝缘电压不一定等于设备的额定工作电压。成套设备中的一条电路的额定绝缘电压是介电试验电压和爬电距离参照的电压值。一条电路中的额定绝缘电压应等于或高于该电路中规定的额定工作电压Ue。

1.2.3 额定冲击耐受电压Uimp

冲击耐受电压是在规定的条件下，不造成绝缘击穿，且有一定形状和极性的冲击电压最高峰值。也是电气成套厂宣称的冲击耐受电压值，以表征其绝缘规定的耐受瞬间时过电压的能力。应等于或高于该电路预定连接的系统中出现的瞬态过电压的规定值。

1.2.4 额定电流In

电气成套厂宣称的电流值，在规定的条件下通以此电流，成套设备部件的温升不超过规定的极限。

1.2.5 额定短时耐受电流Icw

电气成套厂宣称的在规定条件下，用电流和时间定义的能够耐受的短时电流有效值，应等于或大于连接到电源每一点上的预期短路电流的有效值。

1.2.6 外壳防护等级

按照标准规定的实验方法，外壳对接近危险部件、防止固定异物进入或水进入所提供的保护程度。不同的IP代码标明外壳对人接近危险部件、防止固体异物或水进入的防护等级以及这些防护有关的附加信息的代码系统。第一位数和第二位数分别指防止固体异物进入的防护能力和防止进水造成有效影响的能力（表1）。

1.3 低压开关柜柜体结构

1.3.1 固定式低压开关柜

固定式低压开关柜具有封闭式结构并带有固定式部件或插入式器件（如插拔式塑壳断路器或抽屉式框架断路器等）的柜、箱型成套设备，一般不含有抽出式部件的固定式成套设备，简称低压固定封闭式成套设备，即固定式低压开关柜，简称固定柜。

1.3.2 抽屉式低压开关柜

其由带有母线和抽出式功能单元的柜式成套或柜组式成套设备构成，可以带有固定式或可移式部件。电能可以通过母线或分支线分配给每个功能单元，简称抽屉柜。

1.4 柜体方案

低压开关柜，按照功能主要分为配电柜、变频软启柜、电容器柜、马达控制中心柜。

1.4.1 配电柜

配电柜主要满足大功率进线和出线、馈线、母联以及双电源转换的保护需求。

1.4.2 变频软启柜

变频软起柜主要满足变频器和软启动器的安装和保护需求。变频及软启动应用的特点是发热量大，建议针对该应用做专门的设计和实验，来验证标准方案在运行过程中的稳定性，保证使其达到标称性能。

1.4.3 电容器柜

电容器柜是针对无功补偿应用设计的电容器柜。电容器柜的应用特点是发热量大，柜体通风散热要求高。建议针对该应用做专门的设计和实验，来验证标准方案在运行过程中的稳定性及元器件的安全，保证使其达到标称性能。

1.4.4 马达控制中心柜

针对马达回路，提供以下设备组合可供选择，即断路器（提供隔离、短路、断路保护）、接触器（频繁控制通断）、热继电器（热过载保护）。对于马达保护的应用，马达控制回路可以跟配电回路混装。

2 低压开关柜的选择

低压开关柜拥有众多参数，如额定工作电压有常见的400/690 V，额定耐受冲击电压8 kV/10 kV/12 kV，两个参数的选择，彼此相互关联。额定电流和额定耐受电流的选择有内在关联，也与变压器的参数有关。内燃弧的防护，往往在低压系统中被忽视，但是对人身和财产的保护，起到很重要的作用。柜型结构的选取，需要结合实际项目情况，不能盲目地推崇抽屉柜，需要给予必要的讨论和给出合适的方案，以满足不同用户的需求。

2.1 选择原则

开关柜首先任务是安全供电，而且是持续供电，方便维护，同时尽量做到项目成本最低。

2.2 额定电压

额定电压包括主电路和控制电路的额定工作电压Ue，额定绝缘电压Ui和额定冲击耐受电压Uimp。

（1）低压开关柜的额定工作电压Ue一般使用IEC的推荐的标准值。主电路的额定工作电压一般为400 V和690 V，控制电路的额定电压一般采用220 V交流或直流。主电路的额定工作电压和控制回路的额定电压允许偏差正负10 %。任何电路的额定工作电压应不小于其所连接的电气系统的标称电压，有可能出现额定工作电压是690 V，而电气系统电压依然是400 V。对于地铁行业，有更高要求，Ue选用690 V。

（2）额定绝缘电压Ui是不低于额定工作电压，如果Ue是400 V，那么Ui是400 V，500 V或更高，如果如果Ue是690 V，那么Ui是690 V、750 V或1 000 V。同样对于地铁行业，Ui选用1 000 V。

（3）额定冲击耐受电压Uimp可以检验设备耐瞬时过电压能力，主要指耐雷电过电压的能力。系统电压400 V，额定冲击耐受电压Uimp对应8 kV，系统电压690 V，额定冲击耐受电压Uimp对应12 kV。所以对于地铁行业，由于项目的重要性，额定电压选择依次是Ue选用690 V，Ui选用1 000 V，Uimp选用12 kV。

2.3 额定电流

额定电流包括水平母线的额定电流和额定短时耐受电流。

（1）水平母线的额定电流值，取决于导体截面积的大小，往往是根据变压器容量来选择。2 000 kVA变压器的低压侧额定电流是2887 A，水平母线的额定电流选择3 200 A>2 887 A即可。但是设计师一般会考虑变压器具有30%的过载能力，变压器低压侧电流变成了3 753 A，导致水平母线的额定电流值需要选择4 000 A>3 753 A。但是地铁行业的负载率一般比较低，大多数在30%左右，少数在80 %左右，所以难以见到过載30 %的情况，所以2 000 kVA的变压器，对应选择水平母线的额定电流3 200 A是合适的，而且实际负荷率最多也只是72.1%，即（2 887×0.8）/3 200）×100%=72.1 %，这样可以节约大量铜排用量。

（2）水平母线的额定短时耐受电流值是根据变压器低压侧出口的最大预期短路电流来选择，如2 000 kVA的变压器，短路阻抗百分比是6 %，那么最大预期短路电流是48 kA，即（2 887/0.06）/1 000=48 kA，选择额定短时耐受电流值50 kA即可，但是一般设计至少选择80 kA，甚至100 kA。由于一般项目，如地铁行业，双变压器是并列运行非并联运行最大预期短路电流不可能到达100 kA，所以额定短时耐受电流值选择50 kA是合适的，在保证安全的前提下，大大节省开关柜和元器件的成本。

2.4 内燃弧人身保护电流

内燃弧是在低压开关设备中，极少发生，没有强制要求低压开关柜具有内燃弧防护能力，但不能完全避免内燃弧的产生。它一旦发生，故障电弧能够在很短时间内形成高压力和高温，将对人身及设备造成极大危害。低压开关设备的故障电弧防护分“结构上的故障电弧防护”和“故障电弧防护装置”，目前主要采用结构上的故障电弧防护。结构上的故障电弧防护是通过开关组合电器的结构来实现的，在设备封闭情况下限制故障电弧的效应。内燃弧人身保护电流大小的选择，建议不小于开关电器的额定短时耐受电流值，一般大于等于65 kA/0.3 s。

3 大电流的馈电回路

依据某市地铁的低压主配电图纸，原设计是进线柜，有源滤波柜和母联柜都是采用固定柜，而所有馈电采用抽屉柜，包含部分400A或630 A的大电流的馈电回路。

①对于400A或630 A的大电流的馈电回路采用抽屉式功能单元，模数高，体积大，重量大，导致一个人难以插拔抽屉单元，有抽屉跌落的可能性。

②由于模数高，安装密度低，需要占用较多的柜体，占用更多的空间和成本;1.3由于重量大，插拔时，为了抽屉端子与垂直排正常接触，需要快速撞击式插入抽屉，这样势必对垂直排造成磨损。

基于以上原因，在技术联络会上，与用户和设计院达成了一致意见，把400 A和630 A的馈电回路改为配插拔式开关的固定柜，而其他馈电回路保留为抽屉柜。

3.1 照明柜

地铁的照明回路的设计，是不符合开关柜的正常结构。

该DF1柜内有主进开关，同时17个回路，其中有16个半模抽屉。如果按照原图生产柜体，那么柜体结构设计，严重非标，半模抽屉造价昂贵，体积太小，也不方便维护。经过多次讨论后，以可靠性为先，尽量减少非标制作柜体，把照明柜改为配插拔式开关的固定柜，而且全部是整模功能单元，方便维护。增加一面柜体，但是总体成本未增加，反而减少。

在低压电气系统中，低压成套由各种低压电器组成，低压元器件的性能对低压成套起到至关重要的作用。发电设备发出的电能中有80 %以上是通过低压电器分配后使用的，相应的低压成套在分配电领域具有非常重要的作用。通过学习国外低压成套发展的技术和成功经验，或通过取得国外品牌柜的授权生产，国内成套厂生产能力和深化设计能力大大加强。随着用户和设计院对低压成套越来越了解，特别是地铁行业设计院对低压成套技术深入了解，特别是对配插拔式开关的固定柜的认可和应用，使得配插拔式开关的固定柜越来越使用得广泛。配插拔式开关的固定柜具有安全可靠，经济适用和方便维护等特点，可以很好地让低压成套满足用户的需求。

參考文献

[1] 马学钢.低压配电柜在沈阳地铁二号线上的应用[J].科技与企业，2013（2）：320.