◎彭江鷹

一、配電柜的概述

電力配電有一級(jí)配電和二級(jí)配電，一級(jí)配電是動(dòng)力配電，是把電能分配到不同地點(diǎn)的下級(jí)配電設(shè)備，二級(jí)配電是動(dòng)力配電柜和電動(dòng)機(jī)控制中心的統(tǒng)稱。在配電的各個(gè)環(huán)節(jié)需要的配電柜有隔離柜、進(jìn)線柜、出線柜、母線聯(lián)絡(luò)柜、電容器柜、計(jì)量柜、GIS 柜等。

外部電源首先進(jìn)入隔離柜，隔離柜沒有分?jǐn)嗪徒油ㄘ?fù)荷的能力，只是方便維修人員進(jìn)行維護(hù)和檢修；經(jīng)過(guò)隔離柜后，進(jìn)入進(jìn)線柜，在進(jìn)線柜接受電能，由進(jìn)線柜中斷路器進(jìn)行分?jǐn)嗪徒油ㄘ?fù)荷的控制；如果系統(tǒng)電源進(jìn)線有兩路，且兩路互為備用時(shí)，需要通過(guò)母線聯(lián)絡(luò)柜將兩路電源的主母線進(jìn)行聯(lián)通；PT柜、計(jì)量柜中安裝的電壓互感器、電流互感器以及計(jì)量裝置，檢測(cè)母線電壓、電流和實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能；進(jìn)線柜的旁邊安裝電容器柜，進(jìn)行電網(wǎng)無(wú)功功率的補(bǔ)償或用電設(shè)備的功率因數(shù)提高；出線柜用來(lái)分配電能，母線匯集的電能通過(guò)出線柜輸送給變壓器或者其它用電設(shè)備、終端用戶。配電柜在分散負(fù)荷、回路較少的場(chǎng)合使用，一般我們看到配電柜都是安裝在比較隱蔽的角落。

配電柜內(nèi)通常配備斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、接觸器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕開關(guān)等控制設(shè)備，避雷器、熔斷器、熱繼電器、微機(jī)處理器、中間繼電器、時(shí)間繼電器等保護(hù)設(shè)備，電壓互感器、電流互感器、電壓表、電流表等計(jì)量電器，電容器等補(bǔ)償設(shè)備，另外還有PLC、變頻器、指示燈等。

二、配電柜運(yùn)行中存在的問題

1.溫度升高。

按照國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)和制造的電氣設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度上限值為≤40℃，配電柜中安裝的電氣設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，尤其變頻器產(chǎn)生的熱量更大，很容易使配電柜內(nèi)部的溫度達(dá)到并超過(guò)40℃。

2.積累灰塵。

配電柜內(nèi)電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)楣ぷ魈匦援a(chǎn)生電位差和靜電，將大氣環(huán)境中的灰塵、鹽分、金屬塵埃、油污、炭漬、潮氣等污染物吸附，吸附的塵埃微粒在配電柜內(nèi)形成堆積，使各設(shè)備無(wú)法正常散熱，導(dǎo)致配電柜內(nèi)溫度更加升高。

3.降低絕緣性能。

配電柜內(nèi)電氣設(shè)備上吸附的塵埃微粒形成塵埃膜電阻，極易造成電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度降低，導(dǎo)致配電柜內(nèi)設(shè)備放電，易導(dǎo)致電弧事故；電氣設(shè)備在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行，導(dǎo)致電氣設(shè)備的線圈、引線等絕緣電阻降低、絕緣性能下降、泄漏電流增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)，易導(dǎo)致短路事故。

4.造成電氣設(shè)備誤動(dòng)或拒動(dòng)。

溫度過(guò)高，會(huì)影響保護(hù)設(shè)備的穩(wěn)定性、動(dòng)作的可靠性，造成保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作，不能及時(shí)切斷故障。斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等機(jī)械結(jié)構(gòu)的電氣控制設(shè)備，設(shè)備上吸附的塵埃微粒極易造成機(jī)械結(jié)構(gòu)卡滯，造成執(zhí)行電氣操控命令時(shí)拒動(dòng)。

5.造成控制系統(tǒng)失靈或故障。

配電柜內(nèi)的變頻器、控制器、PLC 等裝置中的電路板，工作時(shí)產(chǎn)生的電場(chǎng)吸附的塵埃微粒落在電路板上，一是對(duì)電子元器件的金屬引腳產(chǎn)生腐蝕，造成電路板控制失效；二是灰塵與濕氣混合會(huì)形成電阻網(wǎng)絡(luò)，造成控制電路失靈，或者會(huì)使電源短路燒壞保險(xiǎn)。

6.溫度過(guò)高會(huì)影響計(jì)量的準(zhǔn)確性。

溫升和絕緣是電氣設(shè)備的兩個(gè)重要指標(biāo)，溫度每升高8℃，電氣設(shè)備壽命則降低一半，必將使配電柜內(nèi)電氣設(shè)備縮短使用壽命，不能正常工作，甚至燒毀。只有控制住溫升，就能有效避免絕緣性能下降，就能有效控制住電氣事故的發(fā)生。

三、配電柜的問題解決方式

基于上述配電柜在運(yùn)行中存在的問題，問題的根源在于高溫和灰塵。散熱冷卻方式從技術(shù)層面上有三種：

1.閉環(huán)冷卻，配電柜外部空氣與配電柜內(nèi)部不進(jìn)行對(duì)流，為配電柜安裝合適的機(jī)柜空調(diào)或者熱交換器，內(nèi)部循環(huán)制冷降溫。

2.開環(huán)冷卻，配電柜外部空氣與配電柜內(nèi)部進(jìn)行對(duì)流，為配電柜安裝風(fēng)扇強(qiáng)迫對(duì)流進(jìn)行散熱降溫。

3.自然冷卻，配電柜外部空氣與配電柜內(nèi)部進(jìn)行對(duì)流，利用自然風(fēng)進(jìn)行散熱降溫。

防塵的方式是設(shè)置過(guò)濾器阻擋塵埃的進(jìn)入。

四、配電柜散熱防塵研究現(xiàn)狀分析

關(guān)于配電柜散熱防塵問題的研究，學(xué)者蔡云龍研究的一種具有除塵和散熱結(jié)構(gòu)的配電柜，采用收卷軸、升降管、氣泵和吸塵器進(jìn)行配電柜的散熱和防塵。散熱風(fēng)機(jī)對(duì)配電箱體內(nèi)部進(jìn)行吹風(fēng)散熱，收卷電機(jī)帶動(dòng)收卷軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)升降管進(jìn)行往復(fù)升降運(yùn)動(dòng)，氣泵對(duì)升降管的內(nèi)部鼓入空氣進(jìn)行電氣元件除灰，同時(shí)吸塵器對(duì)箱體的內(nèi)部進(jìn)行吸塵。

關(guān)于配電柜散熱防塵問題的研究，學(xué)者俞陽(yáng)貞研究的防塵配電柜，采用彈性氣囊和氣缸進(jìn)行配電柜的散熱和防塵。利用氣缸頂出時(shí)擠壓氣囊產(chǎn)生大量集中的氣體吹向配電柜中設(shè)備，即可散熱又可除塵。

關(guān)于配電柜散熱防塵問題的研究，新鄉(xiāng)市中州電器有限公司學(xué)者王長(zhǎng)峰研究的一種可防塵水冷式配電柜，采用四組風(fēng)機(jī)與換熱組件進(jìn)行配電柜的散熱和防塵，在閉環(huán)的氣流循環(huán)區(qū)域內(nèi)冷卻液吸收熱量以降溫，隔絕柜體外部空氣，防止外部空氣中的粉塵進(jìn)入配電柜中。

關(guān)于配電柜散熱防塵問題的研究，蘇州依斯倍環(huán)保裝備科技有限公司的學(xué)者沈騫如[6]研究的熱交換電氣柜及其散熱裝置，在柜內(nèi)采用安裝風(fēng)機(jī)、換熱管、風(fēng)管和換熱源等散熱裝置進(jìn)行柜內(nèi)的散熱和防塵。將風(fēng)機(jī)和換熱管安于風(fēng)管內(nèi)，風(fēng)機(jī)通向風(fēng)管，換熱管通向換熱源，風(fēng)管通向電氣柜，風(fēng)機(jī)循環(huán)將熱空氣抽吸并排除到風(fēng)管內(nèi)，經(jīng)換熱管降溫冷卻后通過(guò)風(fēng)管輸送回電氣柜內(nèi)。閉環(huán)冷卻方式，設(shè)備無(wú)需與外接接觸，起到防塵作用。

縱觀配電柜散熱防塵問題他人研究的狀況，散熱防塵做得很好，但是每一種散熱防塵都增加不少設(shè)備，設(shè)備在柜內(nèi)占空間，并且增加成本。為了解決散熱和除塵兩個(gè)根本問題，為了提高配電柜的高效節(jié)能，我將采用開環(huán)冷卻和自然冷卻相結(jié)合的方式進(jìn)行散熱降溫，采用加防塵網(wǎng)的方式進(jìn)行防塵，以低成本、高效率對(duì)配電柜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

五、本方案配電柜的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）配電柜優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1.增加兩個(gè)出風(fēng)口。采用百葉窗窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)稱開設(shè)在配電柜的左上側(cè)和右上側(cè)，每側(cè)開設(shè)四個(gè)出風(fēng)口。

2.增加兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口。采用百葉窗窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)稱開設(shè)在配電柜的左下側(cè)和右下側(cè)，每側(cè)開設(shè)四個(gè)進(jìn)風(fēng)口。采用進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口間是上下垂直對(duì)應(yīng)，這樣可以引導(dǎo)氣流垂直通過(guò)配電柜內(nèi)，以確保自然風(fēng)對(duì)流順暢而提升冷卻效率。

3.增設(shè)兩個(gè)防塵網(wǎng)。在配電柜內(nèi)部的下側(cè)，且與兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口相對(duì)應(yīng)設(shè)置有兩組防塵網(wǎng)，在配電柜的下側(cè)且與防塵網(wǎng)相對(duì)應(yīng)的位置處開設(shè)有滑槽，在防塵網(wǎng)的外側(cè)設(shè)置有握把，防塵網(wǎng)從配電柜中可滑動(dòng)并拆卸。

4.增設(shè)兩個(gè)散熱風(fēng)扇。在配電柜內(nèi)部的左上側(cè)、右上側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)散熱風(fēng)扇，這兩個(gè)散熱風(fēng)扇是根據(jù)熱氣上升冷氣下沉的原理設(shè)計(jì)，柜內(nèi)產(chǎn)生的熱氣集中在頂部，采用頂部?jī)蓚€(gè)散熱風(fēng)扇抽出方式使散熱效果更好；左下側(cè)和右下側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)散熱風(fēng)扇，下側(cè)的第一散熱風(fēng)扇和第二散熱風(fēng)扇位于防塵網(wǎng)的水平線之上，防塵網(wǎng)可以有效阻擋散熱風(fēng)扇帶來(lái)的大量灰塵。采用四個(gè)散熱風(fēng)扇進(jìn)行開環(huán)冷卻，使柜內(nèi)空氣與柜外空氣強(qiáng)迫對(duì)流，以達(dá)到柜內(nèi)很好的散熱降溫效果。散熱風(fēng)扇的選擇，根據(jù)每個(gè)配電柜內(nèi)安裝電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量以及容許的溫升而選擇，選擇時(shí)首先計(jì)算配電柜內(nèi)所安裝電氣設(shè)備的總熱阻Rja：Rja=（Tjmax-Ta）／Pc，然后計(jì)算散熱風(fēng)扇熱阻 Rsa 或溫升ΔTsa：Rsa = Rja-Rtj-Rtc，ΔTsa=Rsa×Pc，根 據(jù) Rsa 或ΔTsa 和Pc 查散熱風(fēng)扇的散熱曲線（Rsa 曲線或ΔTsa 線），根據(jù)散熱曲線值小于計(jì)算值，找到Rsa 曲線對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)速流經(jīng)散熱風(fēng)扇截面算出散熱風(fēng)扇流量，根據(jù)Rsa 曲線上風(fēng)速對(duì)應(yīng)的阻力壓降選擇散熱風(fēng)扇壓力工作點(diǎn)，選擇滿足流量和壓力工作點(diǎn)的風(fēng)扇。安裝散熱風(fēng)扇成本低，只需要在配電柜的頂部和下部分別開兩個(gè)方孔，用四個(gè)螺釘緊固散熱風(fēng)扇即可，安裝簡(jiǎn)便。

5.增設(shè)無(wú)線溫濕度傳感器、報(bào)警燈和擴(kuò)音器。在配電柜的內(nèi)部設(shè)置有無(wú)線溫濕度傳感器，配電柜本體基面的左上側(cè)安裝有報(bào)警燈，位于報(bào)警燈的右側(cè)安裝有擴(kuò)音器。無(wú)線溫濕度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)配電柜內(nèi)溫度和濕度，當(dāng)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，使報(bào)警燈閃爍并使擴(kuò)音器發(fā)出報(bào)警聲音。無(wú)線溫濕度傳感器體積小，在柜內(nèi)不占空間，同時(shí)無(wú)線溫濕度傳感器、報(bào)警燈和擴(kuò)音器價(jià)格便宜，成本低。

（二）配電柜優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)方案做出配電柜的正面圖（a）、側(cè)面圖（b）、背面圖（c）、散熱風(fēng)扇圖（d）、防塵網(wǎng)圖（e）如下：

六、本方案配電柜優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

配電柜使用時(shí)，首先根據(jù)配電柜中電氣設(shè)備的正常工作環(huán)境參數(shù)，把配電柜內(nèi)部的無(wú)線溫濕度傳感器設(shè)置三個(gè)一定的值。

當(dāng)配電柜內(nèi)部的電氣設(shè)備開始運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部的無(wú)線溫濕度傳感器開始檢測(cè)配電柜內(nèi)的溫濕度，當(dāng)內(nèi)部的溫濕度超過(guò)第一個(gè)設(shè)定的值時(shí)，無(wú)線溫濕度傳感器使上、下兩個(gè)第一個(gè)散熱風(fēng)扇開始工作，對(duì)配電柜內(nèi)部進(jìn)行散熱。

當(dāng)配電柜內(nèi)部的溫濕度超過(guò)第二個(gè)設(shè)定的值時(shí)，無(wú)線溫濕度傳感器使上、下第一個(gè)散熱風(fēng)扇和第二個(gè)散熱風(fēng)扇同時(shí)工作，同時(shí)對(duì)電柜內(nèi)進(jìn)行散熱，配電柜內(nèi)散熱的效果更好，配電柜內(nèi)的電氣設(shè)備得到保護(hù)。兩組散熱風(fēng)扇，如果其中有一個(gè)損壞，另一個(gè)散熱風(fēng)扇仍然正常對(duì)配電柜內(nèi)部進(jìn)行散熱，從而可以大大提高配電柜內(nèi)部使用的安全性和內(nèi)部元器件的使用壽命。同時(shí)，在散熱風(fēng)扇對(duì)配電柜內(nèi)部進(jìn)行散熱同時(shí)，可以把位于散熱風(fēng)扇下方的防塵網(wǎng)外部的灰塵進(jìn)行過(guò)濾，進(jìn)一步保障配電柜內(nèi)部不會(huì)灰塵過(guò)多。

當(dāng)配電柜內(nèi)部的溫濕度超過(guò)第三個(gè)設(shè)定的值時(shí)，警報(bào)燈閃爍，擴(kuò)音器報(bào)警，工作人員聽到報(bào)警聲，對(duì)內(nèi)部進(jìn)行檢查?？梢韵葯z查防塵網(wǎng)上的灰塵是否過(guò)多，握住防塵網(wǎng)上的握把，向外抽拉防塵網(wǎng)進(jìn)行拆卸，對(duì)防塵網(wǎng)進(jìn)行清洗，清洗完之后再放回原處。

在平時(shí)的運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)該對(duì)防塵網(wǎng)進(jìn)行定期清洗，報(bào)警燈和擴(kuò)音器就是為了防止忘記對(duì)防塵網(wǎng)的定期清洗出現(xiàn)灰塵較多造成防塵網(wǎng)堵塞的一個(gè)提醒。當(dāng)防塵網(wǎng)被過(guò)多的塵埃堵塞造成配電柜內(nèi)溫度升高，超過(guò)第三個(gè)設(shè)定的值時(shí)，通過(guò)警報(bào)燈閃爍和擴(kuò)音器報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理處理問題。

七、本方案配電柜優(yōu)化的實(shí)踐意義

1.通過(guò)設(shè)置的百葉窗自然冷卻散熱，無(wú)需增添設(shè)備，無(wú)需改變柜內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)，無(wú)需消耗電能，通過(guò)下進(jìn)風(fēng)口和上出風(fēng)口的垂直對(duì)流，即可達(dá)到自然冷卻散熱效果，從而可以提高配電柜內(nèi)部使用的安全性和內(nèi)部元的使用的壽命，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

2.通過(guò)設(shè)置的上下兩組散熱風(fēng)扇，使電柜內(nèi)散熱的效果更好。在配電柜內(nèi)溫度較高時(shí)，通過(guò)無(wú)線溫濕度傳感器分別啟動(dòng)第一、第二散熱風(fēng)扇對(duì)配電柜內(nèi)進(jìn)行散熱，對(duì)電配電柜內(nèi)的電氣設(shè)備加以保護(hù)，從而可以提高配電柜內(nèi)部元件的使用的壽命，整體的實(shí)用性更高。

3.通過(guò)設(shè)置的可拆卸防塵網(wǎng)，在散熱風(fēng)扇對(duì)電柜內(nèi)部進(jìn)行散熱時(shí)，可以把外部的灰塵進(jìn)行過(guò)濾，從而電柜內(nèi)部不會(huì)因灰塵過(guò)多而影響元件的正常使用，且防塵網(wǎng)是可拆卸型的，當(dāng)防塵網(wǎng)過(guò)濾灰塵較多時(shí)，可以及時(shí)對(duì)防塵網(wǎng)進(jìn)行拆卸清洗，從而不會(huì)影響散熱風(fēng)扇的正常運(yùn)行，整體實(shí)用性更高。