低压抽出式开关柜结构设计对电气性能的影响

      低压成套开关设备在低压配电系统中完成电能的再分配，实现电网的控制、测量、保护、转换等作用。凡是使用电能的场所都需要配备低压成套设备，它在国民经济建设尤其是石油、化工、冶金、建筑、矿产等各行各业都起着举足轻重的作用。所以低压成套开关设备的质量水平，尤其是电气性能的稳定、可靠和安全运行与国家经济实力、科学技术发展和人民生活水平息息相关。20世纪80年代后期，随着城乡改造、扩建、基础设施的建设，电气设备市场逐年扩大，生产厂家聚增，国家电力能源的大投入也激发了行业的发展，在这种大趋势的推动下，低压成套开关设备的品种不断翻新，质量不断提高，电气安全性也在不断完善。
    一、几种主流抽屉开关柜功能单元结构的比较 
    低压抽出式开关柜由于没有刀开关缩小了元件安装空间，增加了柜内回路数，同时相同规格的抽屉可实现互换，在线路出现故障时可把备用抽屉及时换上，从而减少停电时间，故在低压成套设备中得到广泛应用。无论是产量、品种、电气性能都超过了固定柜。目前，市场需求的几种国内主流抽屉柜有三种，即MNS、GCS、GCK（GCL）。这三种柜型从外形上看基本相似，但其内部功能单元结构都存在差异。客户在选择柜型时应根据其特点和实际需求进行选择，下面就正泰成套公司已取得3C认证的产品以简表的形式对3种柜型作一比较。
    二、整体结构对电气性能的影响
低压抽屉柜的整体结构布局应美观、大方、线条流畅，抽屉功能单元的划分合理，符合电气参数的要求。
    "C"型材的框架结构简单、安装方便。目前低压抽屉开关柜已普遍采用。
    低压开关设备的整体结构设计是否合理涉及到四方面的电气性能要求：
    1、绝缘配合   
    2、抗动热稳定性能  
    3、提高故障电弧的保护能力  
    4、温升
    ①加强设备的绝缘性能，有助于提高整体抗过电压的能力。
    抽屉式开关设备的绝缘配合是按照设备的使用环境条件，安装于供电系统位置（过电压类别），绝缘材料性能等因素决定最小电气间隙和爬电距离。绝缘材料的组别是根据材料的漏电起痕指数(CTI)的数值范围划分为4类，材料组合别Ⅰ600≤CTI；Ⅱ400≤CTI<600；Ⅲ175≤CTI<400E；Ⅳ100≤CTI<175E,低压抽屉柜的绝缘件有很多，例如：绝缘子、母线夹以及采用聚碳酸脂工程塑料制成的功能板、二次接插件等,这些都影响柜体的整体绝缘性能。有统计数字显示，我国的电器产品中有50%左右的事故是由于绝缘系统而引起的。当然，如果在系统正常运行的情况下,绝缘件只要选择适当，质量符合要求,其电气性能仍是完全能满足要求的,毕竟电压等级并不高。如果在4级污秽等级的条件下，绝缘件的选材应作为一个重点考虑，例如柜内主母线绝缘采用比标准性能高的爬电距离和电气间隙，用CTI值高的绝缘件等措施。
    ②柜体动热稳定性能一直是客户放在首位考虑的。尤其是在大电流情况下，对柜体的结构强度要求很高，一旦出现短路，柜体应具备承受短路电流的能力，作为低压柜的设计人员，首先应考虑水平主母排的固定方式及位置放置。举个例子：300MW机组的大电厂低压进线电流普遍大于4000A按工艺要求主母排为3X3（100X10），但在实际中是不会这样选取的，一般考虑单相按上下两层布置，每层2根80X10排,并且采用特制的绝缘母线夹进行固定，这样的结构设计，分散了短路电流对柜体的冲击，大大提高了柜体整体抗短路电流能力。加强螺栓连接部位的接触压力，保证螺栓连接的转矩和转角，也可抵抗短路电流的冲击。
    ③为了提高设备的故障电弧保护能力，在结构内部普遍采用金属隔板隔离防范措施，对带电导体的绝缘隔离，增设泄压通道，电弧检测装置等。
    故障电弧的产生因素有多种，在这里不作讨论。IEC4397-1中对电弧保护的目的作了具体规定，最终要求就是：①防止触及相邻功能单元的危险部件；②防止固体外来物从成套设备的一个单元进入相邻的单元；③提供尽可能高的人身防护等级。为此将柜体各功能室严格分开，主要分为功能单元室、母线室（水平母线室和垂直母线室）、电缆室等三部分，既防止了事故的扩散，又便于带电检修，这是低压抽屉柜结构设计的独到之处，目的是限制电弧的产生，限制电弧的强度和持续时间。
    为了防止开关设备中产生的故障电弧对附近人员造成伤害，柜顶增设泄压装置。当故障电弧点燃时所产生的压力迫使泄压装置打开，灼热的气体排向柜顶，从而保证了人员安全。此种被动电弧保护功能是在已经发生电弧不得已采取的措施，主要是保护人身安全，但却是柜体结构设计中不可缺少的重要环节。顺便提一下,开发故障电弧防护的低压成套开关设备,并经过IEC-1641<<封闭式低压成套开关设备和控制设备故障电弧试验导则>>的验证，显得尤为重要。
    ④抽屉开关设备的温升也是考查柜体结构设计的一个重要指标。柜内的温升与外壳的尺寸、外壳的安装形式、是否带通风槽以及通风槽的大小，内部水平隔板数，元器件的有效损耗及抽屉单元个数等参数有关。作为制造厂，设计院在完成产品设计定型的情况下，无法改变图纸的各种参数，在实际设计过程中有些甲方或设计院为了节省空间和设备的数量，过多地配备了抽屉的个数,虽然可以完成安装，但却忽略了柜体的温升,尤其是在夏天，如果配电室通风不好,常常在使用过程中柜内温升过高而导致设备损坏引起绝缘破环，导致短路事故。这一点应引起我们广大设计人员的注意，有必要向对方提出。
    上下通风槽的设计除了应满足温升的要求，还应考虑防护等级是否满足，IP54柜体应充分考虑降容系数，否则极易引起温升过高，另外对于企业而言也应定期做温升试验。以获得充足的数据，并对柜内结构做些必要的改进和调整。
    三、抽屉功能单元
    抽屉功能单元由若干机械结构的功能部件构成，机构保证了抽屉有连接/试验/分离三位置。分离位置：抽屉可推进拉出，位置显示"分离"，微动开关触点断开，试验闭锁，使开关不能合闸,抽屉可以推进；试验位置:从分离位置顺时针转动操作机构,抽屉向后移动,当定位钢球到试验位置时会发出"当"声音,此时一二次接通,辅助电路接通,微动开关接通,联接闭锁使主开关不能合闸,抽屉不能抽出；联接位置:抽屉锁定, 主开关合上后不能拉出,一二次处于工作状态,最后逆时针旋转显示装置的盖板,盖住操作机构的操作孔。退出抽屉与以上相反。相同规格的抽屉单元可灵活的互换。
    以上的叙述不难看出，抽屉机构的结构与电气联锁性能密切相关，合闸状态不能拉出抽屉，抽屉拉出位置不能合闸，并且抽屉拉出后，一次部分完全被绝缘件遮挡，手不可触及，可见，抽屉的结构设计已充分考虑了人员的安全和可靠的电气联锁性能。
    四、结束语
    从1997年开始,我国低压成套开关设备试行GB7251.1-97<<低压成套开关试验设备和低压成套设备第一部分：型式试验和部分型式试验成套设备>>国家标准，从修订后的新标准可以看出，重点是提高了设备的绝缘性能，以防止过电压产生的绝缘破坏而导致短路，同时要求验证设备的温升，防止柜内温度过高，新标准必然对我国的低压成套开关设备的整体结构提出了更高的要求。设备的结构是服从产品的电气性能，只有电气性能完善、安全可靠的设备才能体现最合理的结构设计。