一种低压便携式旁路开关柜的设计方案

深圳供电局有限公司 柴二亮 樊 晔 符湛茹 广东工业大学自动化学院 陈伟琛 深圳带电科技发展有限公司 缪宝锋

能源供给问题往往伴随着城市的快速发展而逐渐出现，其中以配电网的问题尤为突出。其主要问题集中在两个方面：一是配电线路的移改或者设备故障；二是线路越来越复杂导致的停电检修次数增多。这些日益显现的问题给用户带来的影响越来越大[1]。另外，维修时间的不确定使得地方区域难以保持供电的连续性。这些问题会给用户造成极大的影响，严重扰乱普通居民的日常生活，发电和输电等电力企业则会因停电导致潮流波动大，电网的稳定性下降，同时也造成能源浪费。在电力市场环境下，旁路带电作业就是指在正常供电线路上旁路并接转供线路，由转供线路临时替代正常供电线路供电，从而在对用户不间断供电的情况下实现对正常供电线路的断电检修[2]。期间可能使用旁路电缆车、移动箱变车（或称供电负荷转移车）、负荷开关车、旁路工具车、绝缘工具车、绝缘斗臂车等专用车辆[3]。这种作业方式和传统的断电检修方式比起来，不仅完成了故障诊断的任务，而且在检修供电线路时不会影响到用户的正常用电，提高了供电的可靠性，是目前国内外最先进的带电作业方式之一[4]。

由于许多城市低压配电房在地下负层，而且低压配电室所处环境周围障碍多，空间小，需要旁路低压开关柜时会出现负荷转移车进入难、转移链接线路施工难，施工影响大，安全性低等问题[5]。低压移动便携式旁路开关柜较好地解决了旁路作业工作中配电现场施工效率低、难度大、安全性低等问题。采用移动便携式旁路开关柜，加上智能化数据采集装置，有效解决低压柜旁路作业问题，同时提升应急抢修线路工作效率，提升应急抢修线路工作服务自质量，实现应急抢修线路工作服务完成监督任务。配电网中应急抢修线路的作业方法一般分为四种[6]：传统作业法、带电作业法、移动电源作业法、旁路作业法。

旁路负荷转移车的出现使得带电更换或检修变压器的操作成为现实，解决了更换或检修变压器的传统方法只有断电才能操作的问题，从而最大程度地降低了停电对用户造成的损失和不便。该功能实施的原理步骤为：首先把旁路负荷转移车与故障设备（如变压器）并列运行；接着把故障设备从电网断开，退出运行；这时，原故障设备供电的线路就完全依靠旁路负荷转移车来进行供电。当故障设备的故障被排除后，再让已修复的正常设备与旁路负荷转移车再次并列运行，随后旁路负荷转移车则从电网断开，退出运行，恢复故障线路用户的正常供电。但在低压侧没有单独的旁路开关柜来实现在城市化中隐蔽在建筑内低压配电房中的开关柜进行检修旁路。

1 低压便携式旁路开关柜的设计

1.1 开关柜结构设计

低压旁路开关柜是带电作业负荷转移重要组成部分，在带电作业工作中，能否实现对用户的供电持续稳定由开关柜的性能来决定。柜体作为低压旁路开关柜的机械骨架，是低压旁路开关柜制造的基础，因此开关柜柜体的结构工艺就成了基础的基础。由于低压旁路开关柜使用的特殊性，需考虑设备的安全性、耐久性、灵活性、快捷性。综合考虑其设计具体如下：

在软件CATIA 上设计低压旁路开关柜的柜体结构，旁路开关柜柜体由两部分构成，分别为开关柜外部的柜体骨架和内部用于的支撑元件，其结构强度要满足便携移动的工作需求。

开关柜的柜体结构主要由六大部分组成，从上到下分别为：安装吊环、纵向支架、后挡板、立柱、横向支架和横梁，四周配以挡板组合而成开关柜，外地下加上可移动滚轮，用铆钉把开关柜框架的顶部、立柱、底座横向支架和横梁连接起来。这种结构的开关柜不仅体积较小，而且强度和刚度较强，符合便携的设计要求。

其次对低压便携移动式旁路开关柜柜体结构参数确定。开关柜柜体必须有足够的强度来满足安装使用的要求，这就需要对开关柜柜体的结构参数进行处理，要具体的量化计算和实际实验，最后从计算和实验结果中找出柜体结构设计的最优解作为设计的依据。低压便携移动式旁路开关柜体的机械以及柜体板材等各种指标必须符合国家相关标准的要求。低压便携移动式旁路开关柜柜体骨架结构可以采用低碳钢与铝合金材料，这种材料不仅有足够的强度来满足开关柜的使用，而且原料低廉，易于从市场上获取。

在软件ANSYS Workbench 上建立低压旁路开关柜结构有限元模型，以便于进行开关柜柜体结构的静力学分析，由此得到开关柜柜体在不同工作状态下的等效应力分布情况以判断柜体是否存在变形的状况。此外，还要对开关柜在移动过程中可能出现的各种震动状态进行研究，计算出较常见的几种应用场景的震动频率，提高其抗震性能。

本文运用有限元分析法，对前期设计中的开关柜全面地分析了开关柜的强度等性能指标，这样才能同时兼顾开关柜柜体结构的可靠性和材料是否不足或冗余的经济性。

首先是对低压便携移动式旁路开关柜的柜体进行有限元建模，把开关柜的柜体模型离散化为有限元的计算模型，进行有限元分析。所以，对力学特性不一样的开关柜柜体结构，要选择与之相匹配的有限元单位，再用多次的仿真实验计算出开关柜较为真实的力学特性。在多次的仿真与实验的基础上，简化开关柜柜体的有限元分析模型。例如：某些连接件的复杂圆弧可以适当地变为简单的直线，忽略对柜体影响微小的因素。总之，在满足分析的精度前提下尽可能地对开关柜柜体模型进行简化。

其次模型导入。在CATIA 软件中进行开关柜柜体的几何实体建模，然后保存为IGES 格式文件，启动ANSYS Workbench，从菜单File_import_IGES 选择文件将开关柜柜体的几何建模导入有限元软件ANSYS 中，再计算工况和边界条件，根据低压便携移动式旁路开关柜柜体后部上端断路器、采集器以及柜门，质量单元mass21通过刚性单元连接到开关柜相应承载部位，采用线弹性方法进行分析计算，得出其抗震性能。

在响应曲面优化的基础上，对旁路便携开关柜柜体的板厚参数进行优化。同时，基于DOE 实验设计来选取合适的开关柜工作状态进行分析。低压便携移动式旁路开关柜柜体主要材质为铝合金折弯件，即把厚度为3mm 或4mm 的铝合金板用铆钉连接起来。选择开关柜柜体铝合金板厚度作为优化量。这是对低压便携移动式旁路开关柜进行优化设计的重要一环。

对开关柜的接头设计上，对于不同的类型需要具体分析、计算、论证和实验，确保其电气性能满足开关柜的需要。首先，根据开关柜的类型不同，需要具体分析开关柜的接头，对柜体进行碰撞试验、绝缘试验以及IP 等级防护试验，实现对该结构的电气性能测试和设备安全性判断。其次低压便携移动式旁路开关柜在实际存放过程中，大多数是暴露在户外无保护的环境中，这使得终端和接头部位的电场发生严重畸变。此外，由于旁路低压便携移动式旁路开关柜需要经常使用，接头与终端的多次快速连接会使接头因磨损而产生形状跟尺寸的变化。因此，根据开关柜的实际需要，选择合适的电缆连接头也是开关柜设计的重要一环。

1.2 开关柜的集成化通讯与数据采集技术

针对低压便携移动式旁路开关柜使用情况以及设备数据采集功能，对开关柜现场数据采集系统在功能、监测点范围、采集内容、安全性、实时性等提出了更高的要求。低压便携移动式旁路开关柜现场数据采集系统，采用了分层设计、多信道接入、集群技术。研究以前置通信服务为核心，实现对旁路开关柜电现场数据完整、准确、实时的采集功能，为现场旁路开关柜电气情况、全生命周期等管理功能提供数据支持。具体如下：

研究可用于低压便携移动式旁路开关柜在线监测的数据采集系统。该系统由时分割乘法器电路和高性能处理器来分别测量供电线路的精确功率和数据处理。系统具有高精度和高速率的实时数据采集功能，能够快速精确地采集瞬时电压、电流量、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电压电流的相位、相位差，在线时间，总能量等重要数据。

首先设计时分割乘法器电路，包括压控占空比电路、正负开关电路、滤波电路以及运算分析，设计高精度AD 转换电路以及相位差测量电路，最后设计处理器及其外围电路。数据采集系统可以使用小型嵌入式网络协议（LwIP），通过用户人机接口界面（GUI）实现低压便携移动式旁路开关柜的人机交互。

研究低压便携移动式旁路开关柜集成化通讯，提供各个低压移动便携式旁路开关柜电力现场实时情况监测的网络系统，实现对各类高层应用提供透明的现场数据采集与监控服务。低压便携移动式旁路开关柜里数据采集采用无线专网或数据网实现。由于现场环境无法确定以及信号覆盖弱等特点，传输网络的优化已经成为主要数据传输主要问题。因此，要通过优化网络传输介质来保证传输质量的稳定性，同时也要兼顾网络故障问题处理的优化。

1.3开关柜的数字化信息管理系统

低压便携移动式旁路开关柜数字化信息集成管理系统通过在低压便携移动式低压旁路开关柜中安装的数据采集单元，完成对电流、电压、有功功率、无功功率、柜内温度、在线时间、总电能等数据采集统计，实现对便携移动低压旁路开关柜全天候监测以及精益安全管理。便携移动低压旁路开关柜数字化信息管理系统基本功能包括：

采集层：监测数据层主要接受和解析便携移动式低压旁路开关柜内智能数据采集装置上传的数据，主要包括电流、电压、有功功率、无功功率、柜内温度、在线时间、总电能等。

分析层：分析层为该系统的核心，该层主要作用为分析监测数据和监测数据分析层与数据库的交互。表示层：表示层的主要作用为向用户提供可视化界面，方便用户操作。该层要分为以下模块：

（1）可视化监测模块：以统计、图表等形式直观的向用户呈现当前网络下的是试运行状态和历史数据分析结果，实现对便携移动式旁路开关柜的数字化监测。（2）故障预警模块：以图形化的方式来为用户提供预警内容报告，提醒用户设备是否出现故障。（3）设备管理模块：通过设备管理模块，可实现对设备在线状态、使用次数、工作位置、以及设备全生命周期等数据进行查询、管理，用户可第一时间了解设备使用情况，侧面可反映使用设备工作次数以及工作时间，对带电作业工作结算起到辅助作用。

通过对低压便携移动式旁路开关柜电气性能、结构、以及柜内数据采集传输等研究工作。研制的低压便携移动式旁路开关柜样机具备灵活移动、接入快捷、电气性能优良、数据传输稳定等性能。

2 结语

本文通过低压便携移动式旁路开关柜电气性能、结构、以及柜内数据采集传输等研究工作，完成了低压便携移动式旁路开关柜结构研制工作。通过低压便携移动式旁路开关柜电气性能、结构、以及柜内数据采集传输等研究工作，研制低压便携移动式旁路开关柜样机，使得低压便携移动式旁路开关柜样机具备满足以下条件：灵活移动、接入快捷、电气性能优良、数据传输稳定等性能。

低压便携移动式旁路开关柜实用化要求高，对于设备电气安全性等要求严格，需要广泛收集国内外带电作业、电源旁路等相关资料，并结合典型的场景特点对相关应用技术性能进行评估。在设备研发阶段、需要充分考虑设备安装现场地理环境、网络环境等因素，以满足实用化要求。由于便携移动旁路开关柜便携、灵活等特性，需要做到再长期运输以及移动过程中，不影响设备的电气性能。同时还需要考虑到低压便携移动式旁路开关柜全生命周期管理，实现对旁路开关柜实用化监测。