智能化低压开关柜设计及应用分析

智能化低压开关柜设计及应用分析

发布时间：2022-01-06T01:10:29.899Z 来源：《中国电业》2021年22期作者：郭平[导读] 低压开关柜是重要的配电设备，智能配电系统中要对低压开关柜实现智能化的升级改造

郭平

南京开关厂有限公司

摘要：低压开关柜是重要的配电设备，智能配电系统中要对低压开关柜实现智能化的升级改造，主要是利用单片机、智能电器仪表、智能通讯系统等实现低压开关柜的数据自动采集和远程控制，这种功能极大地提高了开关柜的运维管理效率。从技术层面研究了智能低压开关柜的设计要点，重点分析了通讯模块、控制模块、电器元件选型等问题。

关键词：智能低压开关柜；设计；应用

引言：

配电设备智能化是电力系统未来的主要发展方向，智能低压开关柜具备智能数据监测、故障诊断、主动保护等一系列功能，作为智能配电网的重要组成部分，应该加强智能低压开关柜的设计。在技术层面要将智能控制单元、通讯模块、电器元件选型、抗电磁干扰等作为重点，建立完善的智能低压开关柜设计规范。

一、保障开关柜智能化的关键因素

（一）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[1]。

（二）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

主要功能具体要求

保护功能轻载保护、过载保护、接地故障保护、欠压保护等

测量功能电流测量、电压测量、工作温度测量、脱扣时间、电流泄露、热熔、复位时间等

故障诊断功能启动电流异常诊断、熔断器故障监测、故障事件记录、故障告警、抽屉隔离位置监测等

（三）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[2]。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。

（四）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[3]。

二、低压智能开关柜设计和应用要点

（一）智能通讯系统

第一，通信总线。电力配电系统中包含多个分散在不同位置的用电设备，在智能化技术下，由计算机（服务器）对这些配电设备实现统一的控制，而总线的作用便是实现远程的数据传输，为这些设备提供通信数据上行和下行的通路。总线的设计具有多种技术路径，典型

的设计方案包括I2C串行总线、CAN总线SPI总线等。总线可使用连接可靠、性能稳定的双绞线，同时要注意其数据传输的速率，根据实际情况选用美妙传输速率在10Mbps以上的总线，如10base-T总线[4]。第二，数据通讯接口。在工业控制中，一条通信总线上经常要同时连接各种电力通信设备，智能低压开关柜也是如此，那么这些设备都要和通信总线完成数据交互，此时就要使用到通信接口。采用了差分传输技术的RS485接口在传输距离上形成了显著的优势，这是一种使用广泛的串行通信接口，对接口协议要求不高。第三，交换机。在智能配电网系统中多种设备要同时连接网络，这就要求在同时时间段内提供多个网络通讯端口，此时就要使用到交换机，其作用是扩大网络系统，提供更多的网络连接端口。

（二）柜体结构

柜体结构设计要从可靠性、安全性、运维管理的便捷性以及抗干扰性等方面加以考量。第一，柜内结构。低压开关柜内要安装多种元器件，为了避免相互干扰和提供可靠的固定点，其内部空间通常要进行分隔，有些低压给电柜设置了固定的隔挡，形成空间上的分割[5]。或者在开关柜内设置可抽拉的抽屉，这种配置方式相对比较灵活，隔档数量可变。至于具体采用哪一种设计方案，要根据开关柜内的馈线回路的数量以及性质等因素来确定。第二，柜体内部环境控制。1）结构强度设计。低压开关柜内要为各种电气元件提供安装点，设备安装之后要能够抵抗一定程度的振动作用，因而柜体及其内部组件要达到较高的强度水平，型材的材质和厚度等成为控制重点。2）温度控制。电子元器件的正常运行对环境温度提出了较高的要求，温度过高或者过低都会干扰到其正常运行。在开关柜内部应该设置温度传感器，监测其内部环境的温度，同时配置机械冷风和加热器组件，实时调节内部空间的温度。第三，柜内空间的分隔设计。低压开关柜内部存在多个功能分区，在设计时要明确具体要实现哪些功能，做好分区的设计。例如，固定式结构用于安装必不可少的电器组件，如一次设备的安装。

（三）电器元件

第一，断路器选型。断路器用于控制低压开关柜通电线路的开启与闭合，在智能能控系统下可借助通信接口从远程对其实现闭合或者断开的操作，在电流、电压或者温度等出现异常的情况下还能自动切断电路，起到良好的保护作用。不同厂家生产的断路器在设计细节上存在一定的差异，大多采用模块化的设计思想，使用时要根据具体需求选择相适应的配件，这一点需引起重视，避免配件选用错误。

第二，配电回路开关及仪表选型。智能开关柜要通过远程信号自动实现开关控制，当其在运行的过程中还要对线路上的信号实现有效的监测，因此，其开关上要增加一些额外的信号控制接入点，如报警信号的接入点。配电回路在工作的过程中要对其工作电流、工作电压等参数实现实时监控，当出现电流过载、电压异常的情况时直接切断工作电路。回路中要设置一系列具备自动化测量功能的电气仪表，将这些重要的运行参数通过接口上传到智能控制单元[6]。

第三，一次元器件选型。一次设备主要用于低压柜的电力控制，为了全面提高低压柜的智能化水平，一次元器件应该借助微型控制器、可编程控制器（PLC）来实现自动化控制。

（四）电磁抗干扰设计

配电回路中存在一定强度的电流，而这些电流在运行的过程中会产生一定程度的电磁场，进而对周围的电子元器件产生强烈的电磁干扰作用[7]。因此，设计低压开关柜时要加强抗干扰配置。有些金属材料能够有效地切断电磁场，常见的如铝型材、不锈钢型材等。设计人员要充分研究开关柜内部的电磁分布情况，然后在合适的位置安装上这些可切断电磁场的型材，例如，断路器有可能受到电磁干扰，可在其端头位置设置金属挡板，防止电磁干扰。

（五）温度监测

开关柜内电器元件数量众多，其在运行过程中会因为电流作用而向周围环境散热，正常情况下热量会流失到室外内的空气中，保证开关柜内部温度维持在安全范围之内。当设备出现异常或者电流过大时，热量产生量较多，散热不及时，开关柜内部温度上升，严重时会造成设备损坏。温度监控模块的作用是实时采集开关柜的内部温度并发出异常报警信息。第一，温度监控模块的整体架构。其核心组件是微型控制器（单片机），然后利用部署在终端的数据采集传感器动态化地获取各个监测对象的温度情况，整体的运行原理可参考图1。第二，通信接口。由于采集模块数量较多，在总线上要实现多个设备的同时接入，故而使用RS232或者RS485串行接口。第三，电源。由于该系统中使用了单片机，其在工作时依赖于可靠的电源，如果使用蓄电池为其供电，虽然在断电的情况下依然能够维持一定时间的正常运行，但是也存在一定的不便，主要是电池要定期更换和充电。另一种供电的方法是将温度监控模块的电源线路引至母线排上。第四，温度采集单元。温度采集的基本原理是利用热敏元件感知开关柜内部温度，而热敏元件受到温度的影响，其电阻值会发生等比例的变化，这样就可A/D 转换器获取高精度的温度数据。第五，继电器输出电路。智能开关柜具备远程控制合分闸的功能，如果温度异常造成电路分闸，当其再次恢复正常温度时，可通过继电器输出回路实现自动合闸，该回路位于终端节点上[8]。

（六）综合监控单元

智能开关柜的综合控制重在对其电压、电流等基础数据实施有效的监测和控制，欠电压或者电压过载、电流过载、电流泄露等是重点监控管理内容，以下分析综合监控单元的软硬件设计方法。

第一，硬件部分。1）电压采集。低压开关柜的工作电压是常规的AC360V电压，但是这一电压值依然超过了单片机的监控范围，工程实践中要对其工作电压进行处理，使其符合单片机的安全条件。电压互感器可起到良好的降压作用，在具体使用环节，还要在互感器和电