低壓配電柜的技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展
2017-05-09 15:22:00
祥泰電氣
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低壓電器涉及的技術(shù)領(lǐng)域比較廣，對(duì)新技術(shù)發(fā)展也較為敏感。許多新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用都將帶動(dòng)低壓電器的發(fā)展。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，低壓配電、控制系統(tǒng)與成套裝置也有了新的發(fā)展動(dòng)向，包括緊湊化、智能化、可通信、高防護(hù)、高可靠性、模塊化、環(huán)保等新技術(shù)特征。在2002年，就有專家提出了發(fā)展第四代低壓電器產(chǎn)品的初步設(shè)想。
低壓配電柜的發(fā)展現(xiàn)狀
從20世紀(jì)80年代開始，我國(guó)隨工程項(xiàng)目引進(jìn)了國(guó)外不同類型的低壓開關(guān)柜，至90年代國(guó)外公司將他們的低壓成套設(shè)備在我國(guó)進(jìn)行獨(dú)資或合資生產(chǎn)，以MNS為典型代表的國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和裝備不斷進(jìn)入我國(guó)。
縱觀國(guó)外低壓成套開關(guān)設(shè)備，我們不難發(fā)現(xiàn)，它們?cè)诠耋w的設(shè)計(jì)、設(shè)備的故障電弧防護(hù)能力、加工工藝、開關(guān)設(shè)備的智能化等方面都有了較大的突破，進(jìn)入90年代后，國(guó)外各大公司在低壓供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控的基礎(chǔ)上，積極開展智能化的低壓開關(guān)和智能化的低壓成套開關(guān)設(shè)備的研究。
設(shè)計(jì)手段的提高
國(guó)外許多生產(chǎn)廠家已廣泛采用三維CAD設(shè)計(jì)軟件，它可將設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算分析以及加工等有機(jī)地結(jié)合起來，大大加快了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度和可靠性，降低了技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
設(shè)備的抗故障電弧能力
盡管成套開關(guān)設(shè)備及開關(guān)器件的質(zhì)量和性能不斷提高，并通過型式試驗(yàn)，但仍然不能完全避免在成套開關(guān)設(shè)備中出現(xiàn)故障。在所有的故障中故障電弧引起的事故約占50010．而故障電弧產(chǎn)生的損壞程度最為嚴(yán)重。為此，國(guó)外長(zhǎng)期以來就開展對(duì)故障電弧保護(hù)的研究，并取得了一些成果。
IEC出版物439-1在下列條款中對(duì)電弧保護(hù)的目的進(jìn)行了規(guī)定，具體條款如下：7.7用隔板或護(hù)板（金屬的或者非金屬）將成套開關(guān)設(shè)備分成單獨(dú)的隔室或封閉的防護(hù)空間，以達(dá)到下述的一種或者幾種條件：防止觸及相鄰功能單元的危險(xiǎn)部件；防止固體外來物從成套設(shè)備的一個(gè)單元進(jìn)入相鄰的單元。
限制故障電弧的持續(xù)時(shí)間可以減小電弧的損害。大多數(shù)情況下，故障電弧電流值要小于主開關(guān)的瞬間整定值，在這樣情況下常規(guī)的保護(hù)不能迅速將電弧電流斷開，為了快速斷開電弧電流，國(guó)外進(jìn)行了深入研究，并取得了有效的成果。例如：ABB公司MNS低壓配電柜采用的絕緣材料和觸頭滅弧系統(tǒng)能夠最大限度地防止故障電弧的發(fā)生，符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，通過了權(quán)威試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的故障電弧試驗(yàn)。一旦發(fā)生故障電弧，能在短時(shí)間內(nèi)熄滅，不會(huì)影響相鄰的抽屜單元。標(biāo)準(zhǔn)的抽屜單元具有互換性，只要將故障抽屜更換，將不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
加工工藝
國(guó)外低壓成套開關(guān)設(shè)備在加工工藝方面也有較大的突破，主要表現(xiàn)在母線的異型化、柜體無螺母連接等。
多功能的母線系統(tǒng)
母線系統(tǒng)是成套設(shè)備的重要組成部分，它決定了低壓開關(guān)成套設(shè)備的電氣參數(shù)、進(jìn)出線的方式、連接方式和柜體溫升。國(guó)外產(chǎn)品的母線系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代廣泛應(yīng)用了異型截面的型材，如ABB公司的ArTuK開關(guān)柜便是采用了異型母線，如圖1所示，采用異型母線的優(yōu)點(diǎn)有：
亂提高了母線的抗彎強(qiáng)度，抗短路強(qiáng)度的能力也隨之提高。
實(shí)現(xiàn)了母線的無孔連接。在成套設(shè)備中母線系統(tǒng)（水平母線、垂直母線、支母線）都要與功能單元的主開關(guān)連接，而功能單元和主開關(guān)都是有變化的，因此母線上的連接孔位置加工很困難，如果按模塊開成排孔，則降低了母線的抗彎強(qiáng)度和載流能力。采用異型材之后任意位置都可以隨意連接，而且也減少了母線的加工，簡(jiǎn)化了成套設(shè)備的裝配。
在同等的截面積或抗彎強(qiáng)度的條件下，異型母線的表面積可以增加，使得散熱情況更好，降低了母線的溫升或增加了母線的載流量。
無螺母連接，即所有連接都采用自攻螺絲
在柜體方面，普遍采用無螺母連接，即所有連接都采用自攻螺釘或者普通螺釘，在承重部位采用鉚螺母。采用自攻螺絲除了加工方便，提高了裝配速度之外，還可在靠墻安裝柜體中實(shí)現(xiàn)正面安裝和檢修。在板材加工方面除使用異材骨架之外，許多大型公司利用三大件加工整體板材成型，在受力部位采用雙疊成型，側(cè)壁上可以安裝橫梁，這樣減少了許多過渡零件，還提高了柜體強(qiáng)度。其他代表柜有ABB的ArTu K開關(guān)柜，西門子公司的SIVACON8PT開關(guān)柜。ABB公司的ArTu K開關(guān)柜的K型多功能直柱已獲得國(guó)際專利。
低壓配電柜的新技術(shù)特征
低壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展途徑與中高壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展過程不同，在中、高壓開關(guān)設(shè)備行業(yè)中，中高壓開關(guān)設(shè)備制造商起著領(lǐng)軍統(tǒng)帥的作用，從開關(guān)電器技術(shù)到必須完成的保護(hù)任務(wù)，在產(chǎn)品的構(gòu)思、開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、配置到供貨、銷售、安裝、運(yùn)行和維修等一系列環(huán)節(jié)，都從整體出發(fā)，給予統(tǒng)籌考慮。從發(fā)展的眼光來看，機(jī)械、電工、電子、通信四大技術(shù)的發(fā)展將給新一代低壓開關(guān)設(shè)備帶來直接影響。
我國(guó)低壓電器經(jīng)過50年的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了比較完善的體系。自上世紀(jì)60～70年代的第一代產(chǎn)品．70～80年代的第二代產(chǎn)品，到90年代的第三代產(chǎn)品，低壓電器的技術(shù)特征，已經(jīng)由最早的性能指標(biāo)低、體積大、規(guī)格品種少，發(fā)展到高性能、小型化、電子化、智能化、模塊化、多功能等特性。進(jìn)入21世紀(jì)的今天，根據(jù)國(guó)外新技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的低壓電器已經(jīng)進(jìn)入了智能化、可通信的第四代產(chǎn)品階段。據(jù)“十一五”規(guī)劃專家組相關(guān)成員介紹，以智能化、可通信為主要特征的新型低壓電器產(chǎn)品將成為我國(guó)“十一五”發(fā)展的主要方面。在“十一五”期間，第一代產(chǎn)品將被完全淘汰，20世紀(jì)70年代研發(fā)的第二代產(chǎn)品將成為低檔產(chǎn)品，第二代和第三代的改進(jìn)型產(chǎn)品將成為中檔產(chǎn)品，第四代產(chǎn)品將不斷地研發(fā)并大批量地投入市場(chǎng)。隨著第四代低壓電器產(chǎn)品的開發(fā)，低壓成套設(shè)備、低壓配電箱柜，也有了一些新的技術(shù)特征。
雙向通訊是第四代低壓電器的主要特征之一。因此，談到第四代低壓電器設(shè)備的發(fā)展，就不能不涉及到現(xiàn)場(chǎng)總線及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線(Profibus-DP和AS-Interface)技術(shù)的崛起和可通信電器的土市，給低壓開關(guān)設(shè)備帶來了革命性的變化。從低壓電器元件到成套設(shè)備，都實(shí)現(xiàn)了智能化、可通訊及網(wǎng)絡(luò)化。智能型配電柜采用了智能型元器件，其主要特點(diǎn)是在傳統(tǒng)開關(guān)柜的基礎(chǔ)上充分利用了微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊等新技術(shù)，具有較高的可靠性。若干個(gè)智能型開關(guān)柜通過通訊網(wǎng)絡(luò)可組成智能低壓配電系統(tǒng)。具有遙控、遙測(cè)、遙訊和遙調(diào)功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，不僅能對(duì)配電質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，減少損耗，而且現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)能對(duì)同一區(qū)域電網(wǎng)中多臺(tái)斷路器實(shí)現(xiàn)區(qū)域連鎖，實(shí)現(xiàn)配電保護(hù)的自動(dòng)化，進(jìn)一步提高配電系統(tǒng)的可靠性。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域使用的總線有Profibus、Modbus、DeviceNet等，其中Modbus與Profibus的影響較大。在發(fā)展智能型開關(guān)柜的同時(shí)，功能越來越強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)也得到了快速
發(fā)展。如ABB公司的INSUM系統(tǒng)。ABB公司在原有的INSUM系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)管理智能系統(tǒng)）基礎(chǔ)上，結(jié)合新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信手段，研發(fā)了第二代的INSUM系統(tǒng)，即INSUM2.0。該系統(tǒng)采用Lonworks，使得INSUM系統(tǒng)有了真正意義上的現(xiàn)場(chǎng)總線特征，它與最新改進(jìn)設(shè)計(jì)的MNS3.0低壓開關(guān)柜構(gòu)成了完美的結(jié)合．為用戶提供了一個(gè)安全、可靠、快捷、智能的人機(jī)界面系統(tǒng)。抽出式組件加上INSUM系統(tǒng)后構(gòu)成智能化的MNS系統(tǒng)，可用于交流電動(dòng)機(jī)的控制、監(jiān)視和計(jì)量，通過接口可與計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化配電系統(tǒng)組件通信，實(shí)現(xiàn)智能化控制。
開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合專業(yè)化生產(chǎn)模式是開關(guān)柜行業(yè)的發(fā)展方向。例如ABB公司的ArTu K開關(guān)柜，結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、普通化和系列化程度高，基本零部件僅20余種，可分別組成保護(hù)、操作、轉(zhuǎn)換和控制等標(biāo)準(zhǔn)單元模塊結(jié)構(gòu)，組裝靈活、快捷，裝配ArTu柜僅需10分鐘。同時(shí)以組件供貨方式滿足各種結(jié)構(gòu)形式、防護(hù)等級(jí)和使用環(huán)境的要求，令運(yùn)行可靠性大大提高，如圖2所示。
高可靠性
第四代低壓電器產(chǎn)品一個(gè)很重要的特征是高可靠性，故需開展可靠性設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行可靠性控制（大力推進(jìn)在線檢測(cè)裝置），進(jìn)行可靠性出廠檢驗(yàn)等。國(guó)外的電氣公司與各種國(guó)際機(jī)構(gòu)（如IEC、IEEE等）中，可靠性工作都很受重視。IEC在1965年成立了技術(shù)委員會(huì)TC56（可靠性與維修性技術(shù)委員會(huì)），至今已發(fā)布了不少關(guān)于可靠性與維修性方面基礎(chǔ)性或共性的標(biāo)準(zhǔn)。如IEC605《設(shè)備可靠性試驗(yàn)》，是關(guān)于設(shè)備可靠性試驗(yàn)方面一套較為完整的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了設(shè)備可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)和可靠性測(cè)定試驗(yàn)的總原則、具體程序和試驗(yàn)方案。
ABB公司的INSUM系統(tǒng)，與低壓配電裝置等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相配合，使成套供、配、用電系統(tǒng)能夠在本機(jī)、上位機(jī)、負(fù)載等對(duì)象中交換各種信息，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)、信息回饋、綜合判斷、發(fā)出指令操作等，從而提高了整個(gè)配電系統(tǒng)的可靠性。
采用安全環(huán)保材料
產(chǎn)品材料的選用，制造過程和使用過程不污染環(huán)境，符合歐盟環(huán)保指令。如：MNS系統(tǒng)所采用的材料能夠滿足用戶對(duì)安全性、可靠性的嚴(yán)格要求。除了進(jìn)口覆鋁鋅柜架外，該公司還采用導(dǎo)電率高于98%的優(yōu)質(zhì)銅母排，并用熱縮套管來提高安全性能。MNS系統(tǒng)中所選用的塑膠材料不含氟里昂(CFC)和鹵素，具有阻燃和自熄滅的作用。由于CFC燃燒會(huì)產(chǎn)生氟里昂，破壞臭氧層；鹵素燃燒則產(chǎn)生毒煙，造成人身傷害。而MNS系統(tǒng)則完全杜絕了這方面的隱患，既保障了安全，又實(shí)現(xiàn)了環(huán)保。
提高制造技術(shù)
傳統(tǒng)的低壓配電柜的制造涉及多種專業(yè)工藝，如冷沖壓、塑料成型、模具加工、SMT貼片技術(shù)等。配電柜制造技術(shù)的提高與這些專業(yè)工藝水平的提高密不可分。為了不斷提高制造技術(shù)，很多公司也在加大研發(fā)投入，緊鑼密鼓地推出新產(chǎn)品。例如ABB公司就本著技術(shù)創(chuàng)新的精神，在終端配電箱方面，率先推出了一系列全新概念的終端配電箱一手折式終端配電箱。該系列配電箱的底箱拋棄傳統(tǒng)的焊接成型，通過特殊的加工工藝在鍍鋅鋼板上沖孑L成型，人性化的設(shè)計(jì)能使客戶快速、安全地將底箱折疊成型，為用戶帶來DIY的全新體驗(yàn)。而且該箱體未折疊成型之前為平面板，解決了傳統(tǒng)配電箱的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題
