配电柜的结构设计理论及创新

吕佳

摘要：配电柜的结构设计中，结构设计的理论直接关乎配电柜设计的效果。配电柜，是一种安装配电设备的机柜。做好配电柜设计工作，能保证系统的安全性和稳定性。本文总结了配电柜的种类和特点，研究目前配电柜设计的主要理论，并论述其中存在的问题，提出相应的创新对策，以期促进配电柜设计理论创新的深入探索。

关键词：配电柜;结构设计;理论;创新

引言：

配电柜结构的合理化设计，可显著降低配电柜使用和维护过程中问题发生的频率，但由于当前该设计理论研究中仍存在明显不足，导致配电柜结构设计经常忽视一些关键的影响因素，导致配电柜的结构设计不合理，

所以需要创新配电柜的设计方法，完善相应的设计理论。

1配电柜的种类和特点

配电柜是分派电能的设备，以配电节制作为电能派发的规则，也能对短路、过载、有漏电问题时作出反应，及时通过断电保证系统的稳定性。通过所使用配电柜能够提升配电设备的美观性，并且避免配电柜内设备受到灰尘影响，保证配电工作的可靠性[1]。目前常见的配电柜包括固定面板式、防护式、抽屉式、能源照明式等种类，针对不同的需求应用于对应场景。

1.1固定面板式配电柜

固定面板式配电柜的反面为柜面的子板，子板具有遮挡配电柜内部设备的作用，可以根据需要开合，后背和侧面是关闭式的。由于这类配电柜的结构比较特殊，封闭性相对比较差，因此对配电柜的保护效果也比较差，很难确保配电柜的安全，所以一般都在持续供电并且安全水平较高的环境中使用。

1.2防护式配电柜

防护式配电柜除了必须在外侧安装的电气元件，其他所有的装置都使用挡板进行防护，而且挡板使用专用材料制成，能保证内外的绝缘效果。配电柜内部的间隙用特殊材料填充，能保证供电的稳定性，在工艺现场具有较好的表现[2]。

1.3抽屉式配电柜

抽屉式配电柜是目前安全性能最高的配电设备，柜体结构使用了特质的钢板，在柜体内部设置了多个抽屉，根据固定规则，将所有的电器元件都设置在抽屉内，构成了具有独立功能的单元。所以抽屉式配电柜的稳定性很强，并且使用时也有方便、安全的优势，而且需要进行电器元件的快速调换，一般使用这类配电柜。

1.4電源照明配电柜

能源照明配电柜使用封锁式的安置方式，可以根据使用场景对安全等级要求的不同改变配置，多数能源找平配电柜都作为初级配电装备使用，比如在工矿企业生产时用于配电节制中。

2配电柜柜体结构设计分析

2.1配电柜柜体结构形式

配电柜的基础结构为柜体，在柜体的上方有柜门，为了确保配电柜具有足够的散热性能，一些配电柜加入了水冷设计，在柜体的左侧面和右侧面设置储水槽，在储水槽的上方设置进水口、下端设置出水口[3]。这种结构

下配电柜的散热性能更强，所以配电柜的工作状态也相对稳定。

2.2配电柜设计中常用技术

2.2.1紧固件的拼装和连接

使用特殊设计的紧固件可以将配电柜的各个部分零件有效连接起来，在使用紧固件时，必须先进行表面的预处理，之后根据标准进行设计。紧固件设计能降低库存的难度，也能控制配电柜的成本，提升交货速度。紧固件有灵活的特点，配电柜使用后也能根据周围环境调整尺寸，满足使用需求。但是紧固件的牢固性不足，而且必须配件具有极高的精度才能保证使用效果，所以制造成本也很高，为控制成本，所使用的括螺钉、螺母等都采取标准化制造。

2.2.2焊接工艺

焊接工艺有加工方便的优势，而且结构相对于使用紧固件更加可靠，但是由于焊接过程中有较高的温度，导致柜体容易出现不规则变化，所以焊接之后柜体的尺寸和原有的设计尺寸之间会存在差异，所以对焊接人员的技术能力要求很高。同时，由于焊接之后不能再对尺寸、外观进行调整，因此焊接之后也难以进行维护[4]。使用焊接方式的柜体在制成后很容易发生变形，会影响配电柜的美观，因此焊接时必须先预焊支撑件，以便能控制焊接出现的变形，而且也要通过对整体进行热处理，保证关键结构的焊接精度。

2.3.2焊接和紧固件综合使用

由于焊接技术和紧固件拥有各自特点，为了提升综合性能和完善配电柜的功能，可以将两种技术综合使用，提升配电柜的稳定性。在设计中，需要结合实际情况确定配电柜的最合理结构形式，或者根据客户的要求使用相应的国家标准、行业标准开展配电柜的设计工作，并根据客户的要求不断进行优化和调整，满足特殊的需求[5]。如果柜体内部有外形较大，而且自重较大的电气元件，应该优先使用焊接形式的柜体结构;如果场地存在限制，而且需要确保电气元件更换方便应该使用组装复制结构;在对整体精度要求较低，配电柜内部元件较少，可以选择箱式或者焊接式的结构。

2.2.4配电柜材料

不同类型的而材料在性能上有明显的区别，所以需要针对配电柜的要求选择合适的材料，以满足配电柜的性能需求和相关行业标准要求。设计人员还要注意各种钣金加工工艺要求和材料性能要求，在设计中可以专门开展加工实验验证材料的性能和特点，保证对各种材料的合理使用、提升材料和工艺的契合程度，避免由于过度设计导致浪费，也能满足性能要求。

2.3配电柜结构影响因素

配电柜需要保持稳定性，避免内部结构受到冲击等作用，以保证配电工作的有效执行。设计过程中，需要考虑配电柜所处环境所导致的温度场、电磁场、流场等影响，以及所处的精力、动力状况也会影响产品的稳定性。外部因素的作用将会导致配电柜的疲劳度增加，降低配电柜结构的静强度，导致配电柜的寿命下降[6]。所以，在设计之前应该充分研究配电柜所处环境的外部作用，尤其分析冲击、震荡等荷载的影响，使用有限元分析等技术进行配电柜的静力学、动力学分析，在掌握配电柜结构的静态、动态性能后进行配电柜的机构是优化工作。

3配电柜结构设计理论

3.1配电柜结构设计理论存在的不足

由于电力在很多場景中的大量使用，所以高低压配电柜大量应用在不同的场所中，对配电柜的结构设计工作提出了更严格的要求。有些配电柜的设计工作中，可能在需求分析工作中存在认识局限，并没有充分考虑配电柜后期维护和保养方面的需求，导致配电柜门体结构在设计上存在局限性，影响现场安装，后期保养也非常不方便。很多交流低压配电柜的内部电器单元一般都集中在一起布置，使得配电柜内部存在交线混乱的问题，在安装和检修上极为不方便。针对可能存在的运行风险，一些配电柜为了控制成本可能会不对计量表设置专门的防护，导致计量表很容在外部影响下受到破坏，也很容易遭到破坏或者被人故意调整，导致计量表的数值改变[7]。一些柜体可能会安装完全封闭的地板，严重影响配电柜的散热性能，电气元件也容易因为高温导致损坏。还有一些配电柜是的散热开口过大，虽然散热效果有所提升，但是也很难阻隔灰尘和昆虫，导致配电柜出现损坏的概率上升。

3.2设计理论解决方案

目前配电柜出现设的设计问题主要来自于理论不健全，导致很多设计人员并没有充分考虑配电柜应过程中的情况和各方面需求，很多关键的设计要求都被忽略，造成配电柜结构设计的失败。为此，设计人员在设计时应该充分考虑各方面的不同需求，并使用合理的设计方法提升配电柜的设计效果。

可以将配电柜的内部空间设计成由多个隔板构成的多个电气室，对每个电气室分配不同功能，包括计量室、进线开关室等等，在各个电气室的开口位置都要设置嵌有玻璃视窗的金属板，用螺钉固接金属板的四角实现对玻璃视窗的固定。出现开关时可以设置多个排列紧凑的断路器，有效利用空间，并保证内部的整洁。通过该设计，可以让配电柜内部结构更容易调整，满足维修、调整的需要，也能提升配电柜的安全性，控制灰尘和小动物的进入。

4配电柜结构设计创新和应用

4.1散热设计

在配电系统负荷不断增加的情况下，需要提升配电柜的散热性能，为此可以针对配电柜的散热需求进行创新。可以在配电柜的侧板、顶板、底

板等位置设置专门的散热口，为了确保排风效果，不同散热口需要保持一致的大小，并且散热口位置需要专门设置可拆卸的封板，满足不同的散热需求。

4.2轻量化设计

配电柜的自身质量、布置形式、静态特性将会直接影响配电柜的工作性能，所以设计过程中需要使用轻量化设计实现对配电柜的减重，不仅可以降低配电柜自身的负荷，也可以用较少的材料实现设计目标。所以需要选择合适的配电柜尺寸参数，优化配电柜的结构。传统的设计中，都会使用经验模型作为配电柜的设计基础，这种方式会导致材料浪费，不能满足经济性的要求，为实现轻量化设计，需要使用有限元技术建立参数化的模

型，以板厚作为配电柜的优化设计变量。

图1优化后的柜体结构位移云图

配电柜的参数敏感度分析，通过在设计稿空间内随机取样，分析配电柜板体对各种等效应力、配电柜质量的敏感度，之后根据参数确定优化方式。根据响应面对柜体进行轻量化设计，抽取一定数量的样本，之后建立数学模型，寻找最优解;为了能进一步确定响应面的准确性，可以插入校验点检查响应面拟合程度。确定响应面之后，可以减轻柜体的重量，根据设计变量、状态变量、目标函数进行优化，之后使用结构位移云图确定优化效果。

结束语：

配电柜的结构会影响配电柜的性能，因此在设计过程中必须优化结构，针对目前配电柜结构设计理论问题，可以采用各类新技术完善配电柜的结构设计，不断对结构的散热、质量等方面进行创新，提升结构设计的科学性，满足配电柜使用要求。

参考文献：

[1]张瑶.配电柜的结构设计理论及创新研究[J].科技风，2020（14）：18.

[2]杨志伟.电气成套装置的结构设计理论及创新方向分析[J].决策探索（中），2020（04）：70.

[3]罗鹏飞，吴章萍.高强度抗震功能配电柜的相关研究[J].科技创新导报，2019，16（21）：70-71.

[4]刘超.配电柜结构性能分析及轻量化设计[D].西南交通大学，2018.

[5]吴梦维.低压配电柜在广宁配电网中的应用研究[D].华南理工大学，

2018.

[6]彭伟，黄靖，任恒，杨毅.基于全氟三乙胺冷板的高空开式配电柜的热设计与分析[J].电子制作，2017（11）：12-14.

[7]周立人.机房配电柜微环境监控系统的研究[D].山东科技大学，2017.