智能化低压开关柜结构设计关键技术及优化策略的研究

智能化低压开关柜结构设计关键技术及优化策略的研究

张锐豪1  黄丽华2

广东米勒电气有限公司

摘要：本文主要对智能化低压开关柜结构设计关键技术及优化设计策略进行分析与研究，以供同仁参考。

关键词：智能化低压开关柜；性能需求；智能配置；优化设计

一、前言

低压开关柜是一种复杂的电气设备，它将电力和电子元件集成在一个柜体内，用来控制电网的运行。它的主要用途是收集、传输信息并进行控制，是电网的关键部分。随着智能化技术在开关柜设计中的应用，智能化低压柜开关随之诞生。智能化低压开关柜性能更高，针对电力故障情况可以执行自我诊断，自动控制，一旦智能化开关判断故障，可以迅速将故障源断开与电网和终端的连接，同时将故障信息发送给远程监控中心，以便电力技术人员迅速得到故障信息，及时安排现场维修，提高对电力系统的维护效率，也降低了电网系统的风险。

二、智能化低压开关柜的关键技术

(1)通讯管理单元。智能低压开关柜是智能配电网的重要组件，因而在设计其通讯管理单元时要充分考虑低压开关柜和上行的DCS控制系统、开关柜智能控制单元之间的通讯效果，设计过程中要具备充分的系统性思考，如要的设计内容涵盖了通信接口、通讯规约、开关量以及配套的软硬件系统等。通讯管理单元直接影响着智能低压开关柜的数据采集、数据传输以及远程控制功能，在整个设计中占据着非常重要的地位，并且通讯系统要确保足够的可靠性，各级信号采集终端或者数据中转都要通过专门的接口上传或者下发数据。

(2)智能控制单元。低压智能开关柜的智能性体现在对数据的自动采集、系统自动保护、故障自动诊断等功能，将原本需要由工程技术人员现场监测的内容转化成自动化监测，借此来提高其可靠性。表1中列举了智能控制单元的核心功能，在设计过程中要通过软硬件系统的合理配置来实现这些功能。

表1、智能低压开关柜智能控制单元的主要功能

(3)电器元件。智能低压开关柜要实现自动化、智能化地运行，就要在整个系统中设置一系列的数据采集元件，并且将采集到的数据经由电力通信接口(如RS485)上传到智能控制中心，电气元件的选型是非常关键的环节，在设计过程中尤其要重视智能马达控制器、智能电力仪表、热敏电阻、计算机系统的CUP性能、数据存储单元的容量。智能低压开关柜以自动化运行为特色，减少对人工管理的依赖性，因而可靠性成为设计关键，电器元件恰恰是整个系统中最容易出现故障的组件，在选型时要兼顾性能、价格以及安全性等多个方面的因素。

(4)抗干扰性。低压开关柜的体积相对较小，并且柜体内部安装了数量较多的电子元器件，开关柜通电运行之后会在其内部空间产生较为强烈的电磁场，进而形成电磁干扰，设备的可靠性也会因此而受到一定程度的影响。因此，在设计智能低压开关柜的过程中要严格控制系统内部的电磁干扰，整体的设计思路是加强对内部空间的合理布局，为了避免各种设备之间的相互干扰，可将各种单元隔离开。另外，开关柜在日常运行过程中还会受到各种环境因素的干扰，如粉尘颗粒物进入柜体之后会污染元器件，使其出现故障，空气中的水分也会造成类似的问题，防水、防尘设计也是提高其可靠性的重要途径。

三、智能化低压开关柜结构设计对电气性能的影响

（1）影响设备运行稳定性。如果低压开关柜的设计没有满足预定的标准，将会严重危害其稳定性，甚至可能引发短路现象，从而造成开关柜内的热量上升，并且会对其中的电子元器件产生负面的影响，从而降低其总的可靠性。为了有效地减少由于防干扰措施而引起的线路短路的可能性，建议根据实际情况采取有效的母线安装措施，同时，如果开关柜的预留空间不够宽敞，就会使得电气间隙变得更加狭窄，从而加剧了线路的短路风险。在结构设计的过程中，应当充分利用转角技术，有效防止由于电气间隙太小造成的短路，从而有效提升电气系统的效率和可靠性。

（2）影响柜体温度。低压开关柜的温度是由许多因素造成的，其中包括柜体的结构、材料和安装方式。如果柜子的结构不符合规范，就很容易造成柜子内的过高温度，从而降低电气元件的性能。当温度上升，电气元件的电阻也相应地变得更高，这将导致电路的负荷变得更重，从而降低了它们的可靠性和耐久性。因此，我们应该重视散热问题，既要确保结构的可靠和安全，又要让室内的空间处于一种循环的状态，从而有效地改善柜子的散热情况。如果环境适宜，应当采用适当的散热技术，对低压开关柜的结构和功能进行优化。通过增加散热器，不仅能够有效降低柜内的温差，还能够有效地防止柜内空气流动，从而达到良好的冷却效果。另外，通过优化电气部分的配置，也能够有效地改善开关柜的工作状态。

（3）电弧故障保护。当电流穿越空气或液态物质的界面，就可能引起电弧的形成。如果这种状态存在，将严重损坏电器部件的正常工作，并阻碍其功效的实施。因此，为了防止这种状态的发生，我们必须深入了解电弧的危险程度，并根据实际情况，精心设计一种可靠的、可靠的电器部件防护系统。为了保证柜体的完好，应该优先采用高强度的绝缘和阻燃材料，以有效地阻挡带电的物质，减少柜体的带电情况，并且减少由此而引起的火花爆炸的风险，从而确保柜体的完美和稳定。同时，由于柜体的容积较小，如果在使用过程中发生火花爆炸，也会造成二次损坏。为了防止这种情况的发生，我们应该根据实际情况，科学地安排泄气管路，以防止电火花对人体造成损坏。

四、智能化低压开关柜优化设计策略

（1）开关柜结构设计。通过改进的技术，我们可以更好地管理和操作智能开关。这种新型的技术可以通过GPRS无线通信模块来进行远距离通信，并且可以通过电压和电流传感器来监测系统的状态，从而提供更好的安全性和可靠性。
（2）机械设计。采用25mm间隔模数孔的“C”形骨架，低压智能开关柜的机械设计更加精确，不同开关柜之间的连接也更加牢固，横向和纵向螺栓的使用，大大提高了连接的精确度和稳定性。采用先进的电镀技术和粉末涂层技术，大大提高了开关柜的耐久性。此外，为了确保安装的稳定性，在一些关键部位，例如门板、顶板等，还使用了特殊的自攻螺钉，以确保其牢固可靠。
（3）温度监控模块设计。这款新型的温度监控模块拥有先进的技术，它可实现远程操作，并且能够对环境的变化做到实时反馈。它的核心功能包括：通讯接口、电源模块、热敏电阻、开关量输出。这种热敏电阻可以提供10k的低温响应，并且能够提供更加准确的测量数据。此外，它还拥有小巧轻便的结构，可节省大量的空间。利用热敏电阻，可以把外界的温差转换为阻力的大小，然后经电压转换器转换，从而获得准确的电压和电压。此外，单片机可以连接不同的传感器，从而获取相应的温度信息，如果发现有异常，则会自动调节，如果没有，则会自动调整，以保证开关柜能够正常运转。当出现故障或长时间的断电保护时，我们必须使用继电器来控制远程开关柜的断路和接通。

图1、温度监测模块的工作原理示意图
（4）母线系统设计。为确保低压智能开关柜的正常使用，母线系统设计应该遵循一种安全的分割原则。这种原则包括：系统和设施、电线和设施之间的空间应该被严格的划分，以确保系统的稳定性和完整性。此外，双面操作柜的设计也应该考虑到母线系统的一致性，以及各个部件之间的空间划分。为了满足特殊的应急需求，我们提供了三种尺寸的母线：30mm×10mm、40mm×10mm和60mm×10mm。这些母线都具备良好的抗干扰性，因此无论它们的尺寸大小如何，都能够被正常的连接。当设计中性线和接地排的时候，它们都应该被放置在开关柜的底部，并

且应该被固定到框架中，这样才能有效的维持电气系统的稳定性。

（5）综合监控模块设计。通过使用先进的技术，我们的智能开关柜系统具备强大的监测能力。它能够同步显示电压、电流信息并及时通过网络与外部环境保持联系。为了解决220V交流电的问题，我们使用了一种新的方式来调整220V的电压信号。采用先进的技术，将电压互感器的一次端和另一次端联结起来，能够形成微小的电流，并将其转化成有效的电压输入信息。因此，即使是处于零负荷的情况下，也能够保持良好的线性关系，从而提供准确的测量结果。传统的电流互感器虽然在检测微小的电流时表现出色，却难以胜任复杂的检测工作。为此，我们提出了一种新型的技术，即使用分流器，它既安全又经济，且准确性极强，尤其适合于低压开关柜的电流检测，从而实现对大流量的快速、准确的检测。

（6）出线单元设计。根据工程需求，低压智能开关柜的配置更为简单，能够满足各种工厂的运作流程。它采用抽屉式设计，确保了工人和操作者的安全，并且可以实现电气的连接和断开（抽出）功能。经过多年的发展，抽屉技术已经成为一种理想的解决方案，特别是在需要高可靠性的工业领域，如控制中心（MCC），它的抽屉更换非常简单，大大提高了开关柜的灵活性和使用寿命。

五、结语

  综上所述，随着科技的发展，智能开关柜的拓展和应用也越来越多。通过引入先进的技术和生产流程，我们已经开创出一个充满活力的智能开关柜领域。然而，目前，我们仍需要在许多方面加以完善，例如确保低压开关柜的安全、稳定和高效。因此，研究人员应该针对当前智能化低压开关柜设计工作存在的不足问题进行及时改进，以期可以为我国配电网安全稳定运行夯实基础保障。

参考文献
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[3]沈志刚.多约束条件下低压开关柜电磁兼容改造设计分析[J].自动化仪表，2021，42(05):50-54.

作者简介: 张锐豪，男，1980年生，广东普宁人，本科，电气高级工程师，电工高级技师。

研究领域：智能高低压开关柜，配网自动化成套设备，机电一体化，电气。