低壓開關柜如何設計注意事項

一、低壓開關柜的主回路

每種型號的低壓開關柜，都有受電柜(進線柜)、計量柜、聯絡柜、雙電源互通柜、饋電柜和電動機控制中心(MCC) 、無功補償柜等組成。

以下以MNS抽出式低壓開關柜為例，對低壓開關柜的各種主回路進行歸類說明（見CAD圖紙）

二、低壓開關柜的輔助回路

低壓開關柜中的輔助電路主要有斷路器操作控制電路、測量(計量)電路、電動機(不可逆和可逆)控制電路、雙電源互投控制電路等。

三、低壓開關柜設計中應注意的事項

1）必須明確系統的進出線方式，如：

（a）母線上進（側進）電纜下出；

（b）母線下進電纜下出；

（c）電纜下進電纜下出；

（d）電纜上進電纜上出。

2）必須明確系統中開關柜的排列順序和操作面方向，搞清楚是靠墻（靠墻的開關柜要考慮安裝和檢修）還是離墻安裝？

3）設計時要保證系統圖上的外形尺寸和平面布置圖上的外形尺寸一致，并考慮各柜的安裝空間是否夠用？

4）系統中有母線橋的情況，要考慮母線橋的走向與系統進出線方式有無沖突，并考慮母線橋進出線位置有無困難？

5）設計時要考慮面板和測控板布局合理，要保證相同容量的回路或其備用回路的互換性。

6）抽屜內裝塑殼斷路器時，注意斷路器本身帶的附件（如：分勵、輔助、欠壓等）可能會增加其外形尺寸，有可能無法安裝在抽屜內。

7）額定電流在400A~630A的電動機直接啟動回路，應避免采用抽屜安裝。原因：①因為電動機啟動電流大，頻繁啟動導致抽屜插接件過熱，從而引發故障；②因為抽屜柜產品自身的缺陷，抽屜在進行一定次數的插拔后，導致插接件接觸不好，容易因插接件發熱引發故障。

8）在材料清單中要特別注意元器件的型號、參數要符合樣本和資料上的書寫規范；查資料時首先考慮生產廠家的樣本，尤其是參數（包括外形及安裝尺寸）。

9）在提元器件清單時，首先要確認系統圖、原理圖的設計是否合理；其次要保證其參數和性能要符合二次原理圖的要求，如各種元件帶的附件是否齊全、時間繼電器的觸點性質是否符合要求、輔助觸點是否夠用、控制電壓是否符合要求等等。

四、母線的分類

1）按其橫截面分，可分為矩形、槽形和管形(或雙D形)母線3種。

a. 矩形母線

單片矩形母線具有集膚效應系數小、散熱條件好、安裝簡單、連接方便等優點，一般適用于工作電流不超過2000A的回路中。

多片矩形母線集膚效應系數比單片母線的大，所以附加損耗 。因此載流量不是隨導體片數增加而成倍增加的，尤其是每相超過三片以上時，導體的集膚效應系數增大。在工程實用中多片矩形母線一般用于工作電流不超過4000A的回路中。

b.槽形母線

槽形母線的電流分布比較均勻，與同截面的矩形導體相比，其優點是散熱條件好、機械強度高。載流能力比同截面的矩形導體約大35%，

因此槽形母線一般用于電流較大、電動力效應要求高的設備中。

如：發電機出口開關柜，其額定電流大，一般達到5000A以上。

c.管形母線

管形母線是空芯導體，集膚效應系數小，防電暈效果好,但連接比較復雜。

2）按材質分，可分為銅母線、鋁母線、鐵母線，其中銅母線由于載流量大，抗腐蝕性能和力效應好，應用廣泛。鋁質母線在電流小、非沿海和非石化系統也有應用。使用鐵母線主要從經濟上考慮，應用于PT連接線。

3）按自然狀態可分為硬母線和軟母線。軟母線主要應用于連接不便可以吸收一些力效應的場所，如斷路器內部、電容器等。

因此槽形母線一般用于電流較大、電動力效應要求高的設備中。

如：發電機出口開關柜，其額定電流大，一般達到5000A以上。

c.管形母線

管形母線是空芯導體，集膚效應系數小，防電暈效果好,但連接比較復雜。

2）按材質分，可分為銅母線、鋁母線、鐵母線，其中銅母線由于載流量大，抗腐蝕性能和力效應好，應用廣泛。鋁質母線在電流小、非沿海和非石化系統也有應用。使用鐵母線主要從經濟上考慮，應用于PT連接線。

3）按自然狀態可分為硬母線和軟母線。軟母線主要應用于連接不便可以吸收一些力效應的場所，如斷路器內部、電容器等。

五、母線的載流量

2.1、載流量的定義

母線的載流量是指母線在規定的條件下能夠承載的電流有效值?！耙幎ǖ臈l件”中主要指標是環境溫度。

2.2、影響載流量的因素

1）布置方式

母線立放時載流量比平放時要高一些，一般當母線平放且寬度小于60㎜時，其載流量為立放時的0.95倍, 寬度大于60㎜時其載流量為立放時的0.92倍，這是由于立放時散熱性能要比平放時要好的緣故。

2）環境溫度

3）母線的材質

4）散熱條件

載流量表：

六、母線的熱效應和電動力效應

3.1、母線的熱效應

母線的熱效應是指母線在規定的條件下能夠承載的因電流流過而產生的熱效應。在開關設備和控制設備中指在規定的使用和性能條件下，在規定的時間內,母線承載的額定短時耐受電流。

3.1.1、根據額定短時耐受電流來確定母線小截面

根據GB3906-2006 《3.6～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》[附錄D] 中的公式：來確定母線的小截面積。式中：S--導體截面，mm2；

I--額定短時耐受電流，A；

α--材質系數，以 表示，并按下列規定取值：

銅為13，鋁為8.5，鐵為4.5，鉛為2.5；

t--額定短路持續時間（s）；

△θ--溫升（K），對于半導體一般取180，如果時間超過2s， 但小于5s，△θ值可在同一公式中增加到215。

根據以上公式計算得出：25kA/4s系統銅母線小截面積S=（25000/13）*√（4/215）≈260 mm231.5kA/4s系統銅母線小截面積S=（31500/13）*√（4/215）≈330 mm240kA/4s系統銅母線小截面積S=（40000/13）*√（4/215）≈420 mm2 63kA/4s系統銅母線小截面積S=（63000/13）*√（4/215）≈660 mm2 80kA/4s系統銅母線小截面積S=（80000/13）*√（4/215）≈840 mm2

根據以上計算結果，得出4s額定短時耐受電流下銅母線的小規格如下：

根據DL404-2007《3.6kV~40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》中5.3條規定，對于中性點直接接地系統，接地回路的短時耐受電流值可達到主回路的額定短時耐受電流值；對于中性點非直接接地系統，接地回路的短時耐受電流值可達到主回路的額定短時耐受電流的87%。對于3~35kV系統，一般為中性點非直接接地系統，根據此要求可以計算出各種系統短路容量下的高壓開關柜接地母線的小截面積。

GB3906-2006 《3.6～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》第5.3.2節規定：如果接地導體是銅質的，則在規定的接地故障條件下，當額定短路持續時間為1s時，電流密度不超過200A/ mm2；當額定短路持續時間為3s時，電流密度不超過125A/ mm2。且其截面不得小于30 mm2。如果接地導體不是銅質的，則應滿足等效的熱效應要求。

在實際項目中，如果沒有要求，建議高壓柜的接地母排按照1s的短時耐受電流考慮。

母線的電動力效應

電動力效應是指短路電流通過平行導體產生的電磁效應。母線受電流的作用力與電流、母線形狀、母線間的距離有關。

3.2.1、根據額定峰值耐受電流來確定銅母線的跨距（即：相鄰支撐件之間的距離）

原則：作用在母線上的作用應力kg/cm2≤母線允許應力

公式：

式中：

△js—作用于母線的作用應力，kg/cm2；

△y—母線允許應力，MPa；1 MPa=10 kg/cm2

當母線為銅質時取1400，當母線為鋁質時取700；

L—母線支撐間距（cm）；

a—相間距離（cm）；

W——矩形母線截面系數（cm3），又稱抗彎矩；

ich——短路沖擊電流（kA）。

根據上式導出：

常見的幾種母線截面系數如下：

其中：b- 母線寬度（cm），δ- 母線厚度 （cm）。

舉例說明：

對于額定短時耐受電流40kA，額定峰值耐受電流100kA系統，主母線選用TMY-80×6厚度相對時，a=30cm(中置柜)，則：矩形母線截面系數：Ｗ＝0.167b2δ=0.167×82 ×0.6=6.4128cm3

母線支撐間距：

Lmax=892√(aW)/ ich =892√（30×6.4128）/100≈123.7cm=1237mm

也就是說，母線厚度相對時，KYN28A-12型產品選用TMY-80*6，理論上距離1237mm以內可不加支撐；

3.3、不需進行熱效應和電動力效應的情況

根據工廠配電設計原則，下列部位的母線不需進行母線熱效應和電動力效應校驗：

（3）在架設對列母線橋的兩臺開關柜中，有一臺柜中的主母線需要調整相序；另外，也可以采用母線橋內換相的方式，如下圖：

（4）對于出口項目的設計，要注意出口國的母線相序的執行標準。如印度高壓三相母線（A、B、C）的顏色標準分別為紅色、黃色和藍色。

七、母線的絕緣方式

在開關設備和控制設備中，為實現設備的全絕緣、全工況，減少外部短路事故和防止觸電以及防止由于凝露污穢引起的爬電等事故一般在母線外部采用絕緣材料將母線裸露部分包縛。其方法主要有：

（1）熱縮護套：可以提高母線間的絕緣水平，但護套有絕緣老化的問題，同時母線的散熱條件也會變差，也增加了生產成本；（2）冷縮護套：操作簡單，無需加熱。但成本高，也有絕緣老化和母線散熱條件變差的問題；（3）硫化噴涂：生產工藝過程較為復雜，當出現碰傷后無法補救，母線的連接處不能作噴涂處理；

（4）SF6氣體絕緣：在密封的主母線室和斷路器室中充以0.04MPa的SF6氣體，可以提高母線間的絕緣性能；主母線在全壽命周期內不用檢修和維護，也不受外界環境的影響，安全可靠性高.但生產工藝過程較復雜，是目前GIS充氣柜主要的絕緣方式；

（5）加裝隔板：當相間或相對地間凈距達不到安全距離時，可在相間或與地間加裝絕緣隔板。按國標要求，SMC絕緣隔板與帶電體的小距離要求是：10kV開關柜≮30mm。

4.3、母線應用的注意事項

（1）根據GB3906-2006規定，開關設備和控制設備中母線的載流量小應比額定電流有10%的裕度。（2）同等截面積盡量選擇母線寬度比較大的型號，如能選擇TMY-80×6的不選擇TMY-60×8的，主要是利于散熱。只有當電氣間隙滿足不了國家標準要求時，才可在保證截面不變的情況下減小母線寬度，如將原選擇的TMY-80×6改為TMY-60×8。

（3）當開關設備和控制設備的運行環境溫度比規定溫度略高時，要充分考慮母線的載流量裕量是否充足。GB311.1-1997《高壓輸變電設備的絕緣配合》中規定：高于40℃時額定絕緣電壓應乘以溫度校正系數Kt=1+0.0033(T-40)，一般環境溫度每增加3℃,試驗電壓提高3%；環境溫度每增加1℃,額定電流應減少1.8%。（4）兩段母線之間的聯絡母線是主母線的一部分，同樣隔離手車上的母線也應視為主母線的一部分。

（5）盡量避免兩根母線之間沒有空氣間隙并在一起，應保持不小于母線厚度的間隙。

（6）額定電流在1500A及以上的母線通過套管或母線護套等穿越金屬隔板時，周圍不應形成閉合磁路。這是由于電流可以在導磁材料產生渦流和磁滯損耗而產生熱量。一般情況下，應在所穿越的金屬上開切斷磁路的防渦流缺口；當額定電流大于1500A時應考慮采用不導磁材料，如：無磁不銹鋼板或者硬鋁板。

1、高海拔對開關設備的影響

1）高海拔地區的主要特征是大氣壓力和空氣密度的降低。在此首先對低氣壓下的一些物理機理進行簡單分析。根據氣體狀態方式求得空氣密度與海拔高度的關系為：

式中：

ρH —海拔高度為H 時的空氣密度；

ρ0 —標準狀態下空氣密度，海平面在攝氏零度氣溫條件下的空氣密度是1292g/m3；

H —海拔高度（m）；

Τ0 —絕對溫度，為273K；

α—空氣溫度梯度，約為0.0065K/m。

通過上述方程式，計算出的結果見表 1

從表 1 中可以看出，海拔高度每升高1000m，相對大氣壓大約降低約12%，空氣密度降低約10%，絕對濕度隨海拔高度的升高而降低。另外，隨著海拔高度的升高，空氣溫度也在降低，每升高1000m，溫度降低6.5K?？諝饷芏冉档秃髮χ袎弘娖鳟a品帶來的直接影響表現在兩個方面；一是空氣稀薄后在電場中更容易發生電離，從而導致絕緣性能的下降；二是空氣稀薄后對流散熱能力下降導致載流體載流能力的下降。

2）高海拔地區要求對電器產品的工頻耐壓和雷電沖擊耐壓進行修正、對空氣絕緣距離進行修正、對絕緣件的爬距進行修正、對載流體的載流量進行修正。

①關于工頻耐壓和雷電沖擊耐壓的修正，根據GB/T 20626.1-2006《環境條件高原電工電子產品第1 部分：通用技術要求》中規定，修正系數見下表：

②關于空氣絕緣距離的修正，在DL404中規定每升高1000m，空氣絕緣距離增加10%，在GB311.1 和GB50060 中也有類似的規定，在實際使用中可以按上述規定進行修正。實際上空氣絕緣距離只是衡量絕緣性能的指標之一，帶電體的電場優化同樣是決定絕緣性能的一個非常重要的因素。

③關于爬距的修正，目前國標里對此沒有明確的規定，但在實際使用時，高海拔情況下必須對爬距進行修正。通過反復試驗驗證，發現海拔每升高100m，爬距增加1%。比如額定電壓為40.5kV 的絕緣件在二級污穢情況下表面爬距應大于810mm，那么在海拔2000m 時，其表面爬距應大于891mm，依次類推。

④關于高海拔條件下載流體的降容問題，要考慮每升高1000m 氣溫降低約6.5K，同時考慮大氣密度降低引起的對流散熱能力的下降，另外還和設備內的風道設計密切相關，在設計時要綜合考慮。

2、高污穢環境對電氣設備的影響

高污穢環境下需重點考慮產品設備耐腐蝕、耐潮濕、耐鹽霧的問題，主要體現在兩個方面：

（1）整個電氣回路（一次、二次）和銅排連接的腐蝕；

（2）電氣元件、結構零件的腐蝕；

針對以上兩種不同環境因素對設備造成的影響，高、低壓成套開關設備設計和制造時需注意以下幾點：

（1）電氣元件的選型：需選擇為高海拔、高污穢環境專門研制的專用電氣設備。

（2）主回路的布置：電氣間隙和爬電距離必須按照高海拔的修正系數進行修正。