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

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 Test

ZHANG 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

0 引言

低壓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。开关进线端通过导线或铜排与母排相连。其中外观与内部设计见图1。

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。

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250A，实际温升试验电流（InA）可能降为200A。

在标准GB 7251.1-2013中10.10.2.3.5～10.10.2.3.7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1[4]。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（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。

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。

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。

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时的温升要高许多，甚至超过标准中70K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。

以固定式开关柜温升试验电流参数为例，如表6所示。

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。

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規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（100～630）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。

3）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。

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.