一种全新的适应严苛环境的低压开关柜

林力飚

摘要：采矿环境对于电气设备而言是地球上最严苛的环境之一。大量湿气和持续粉尘形成的可导电积灰时刻威胁着电气的绝缘性，地面震动和爆破冲击更会破坏精密的仪表设备。文章介绍了一种全新的低压开关柜，详述其结构参数、特点和优点，旨在与相关人员分享设计经验，为今后的工作提供一些思路。

关键词：严苛环境；低压开关柜；采矿环境；电气设备；电气绝缘性 文献标识码：A

中图分类号：TM591 文章编号：1009-2374（2017）10-0022-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.011

采矿环境对于电气设备而言，被认为是地球上最严苛的环境之一。大量湿气和持续粉尘形成的可导电积灰时刻威胁着电气的绝缘性，地面震动和爆破冲击更会破坏精密的仪表设备。另外，矿工的人身安全也应考虑。

图1

澳大利亚ABB公司为了拓展矿业领域的业务，研发了一种全新的高等级、高分隔要求、高性能、便于维护的低压控制柜——ABB SafeStart。在柜型研发期间，笔者参与了其中的主要过程，现将此柜型的结构特点及优点做详细分析。

1 新型矿业低压柜的突出优点及主要参数

SafeStart新型矿业低压柜简介：

系统由主动力柜和若干台控制柜组成，主动力柜进线后，通过主母排将电流传至角排，控制模块再从角排取电，实现对现场的控制。

系统采用高度灵活、免维修的框架。柜内安装不同元件以满足各种需求。其设计和材料能最大程度的防止故障电弧的发生，一旦发生故障电弧，能在短时间内熄灭。它通过了权威机构的故障电弧测试，也通过了型式试验。试验中，故障电弧不影响相邻的抽屉模块。电弧熄灭后，抽屉组件经过清理，各组件柜中的位置不变。

以下详解SafeStart系统的技术特点和优势：

1.1 适用性

矿业的特点要求在其环境下运行的开关柜具有高防护等级、高分隔要求、持续稳定、易于维护的特点，同时尽量降低成本。

SafeStart低压柜适用环境参数如下：相对湿度可达90%；环境温度-5℃～50℃；IP等级可达IP54；适用严苛环境，例如矿业和冶炼行业。

1.2 可靠性

1.2.1 框架（横梁、骨架、外壳）。主体结构包含组合式框架，每根横梁和骨架均采用高强度C型结构，上面开模数孔。

骨架间的拼接使用耐落螺丝，横梁和骨架之间用拉包固定，组合后整体结构稳定。所有框架零件均无需维修。

横梁和骨架表面镀锌，耐腐蚀。

框架底部提供底板。门板和外壳可配通风口，顶板可为通风型或密闭型（按需选择）。

1.2.2 主母排和角排。主母排位于柜体后部，可分上下层，水平安装，单层主母线系统布置在上层或下层，按实际要求分为3P/4P主母排，与设备室和电缆室隔离。

两层主母排的截面大小可不同。主母排单排/串联/并联均可。视电流大小，每相可由2或4根主母排组成。母排材料为铜。不同截面的母排也能搭接。可按需做表面处理。垂直角排用于抽屉模块和母排之间。可全高、半高、或中间分断呈两段布置。角排每根为单根直角形铜排，表面镀银，以保证导电性能。

主母排系统采用免维护结构。主母排固定在特制的母线夹上，再将整组母线固定于骨架上。全部母线由耐落螺丝组装，安装方便可靠。

在水平主母排与垂直角排之间，有一块专门设计的多功能板，其正面有4道凹槽，3P/4P垂直角排被安装于槽内并贯穿整个柜高，保证各相分隔，且位于固定的空间位置。

多功能板背后，对应各相高度有相应敲落孔，角排与主母排通过塞在敲落孔中的铜柱实现连接。

角排安装后，多功能板正面有对应的塑料盖板，可完全覆盖角排，只在抽屉对应一次叉的位置留出空间，实现抽屉与角排的电气连接。

完全分隔的角排/主母排提供了极好的安全性能——角排与角排之间、角排与主母排之间不会产生电弧。

多功能板右侧，装有覆铝锌板材质的柜顶至柜底的隔离板，其上开有模数槽，实现设备区与母排区分隔，也满足一定的通风需求。此处也可换成无通风槽铁板以满足高分隔要求。

1.2.3 电力连接。抽屉与角排连接的一次叉可避免电缆扭曲和减少应力，提高接触性能。特制的弹簧保证了良好的电气接触性能。经过测试，可实现插拔1000次以上。

1.2.4 防故障设计。抽屉后部与垂直角排之间有一定空挡，可为抽屉提供短路保护。

1.3 安全性

安全是ABB的最优先考虑。

1.3.1 电弧安全测试。电弧测试的目的是降低内部电弧故障对个人伤害和设备破坏的风险。电弧测试适用标准IEC61641和AS/NZS3439.1 AnnexZD，此电弧测试在最严格的IP54条件下进行，无任何推测和假设。

1.3.2 抽屉互锁改进。为保证安全，新连锁装置保证开关在ON时，抽屉无法被插入。比较原先复杂的多个开关分合位置的方式，这是更先进的设计。

原先ABB公司抽出式抽屉的手柄有5个位置：

ON：主回路控制回路处于连接状态。OFF：主回路控制回路处于断开状态。TEST：主回路处于断开状态，控制回路处于连接状态，用于测试目的的所有功能可用。ISOLATED：所有主回路控制回路处于断开状态，抽屉离柜30mm。WITHDRAWN：所有主回路控制回路处于断开状态，抽屉在柜内可随时抽出。由于手柄位置多，操作繁琐，此设计对工作人员的专业素质要求较高。

在新式抽屉的设计中，采用了一种全新的机械连锁结构，如图5所示：

互锁原理：开关手柄只设ON/OFF两个位置，在手柄至开关的轴上加裝连锁机构，当开关处于OFF时，连杆落下，此时抽屉可进出柜体，当抽屉就位门板合上后，手柄转至ON，连杆升起，嵌入抽屉与抽屉之间的隔板，此时抽屉无法被抽出。

此设计保证主开关在工作状态时无法被抽出，只有主开关在OFF时才能抽出抽屉。当抽屉被抽出时，如开关处于ON，抽屉无法进入柜体从而避免误操作。且采用纯机械结构，保证了互锁的可靠性和长期有效性。

1.3.3 接地。抽屉有专门的接地设计，保证基本的安全需求。抽屉就位时，抽屉上的铁片直接与骨架上的接地铁片接触，保证抽屉的可靠接地。

1.3.4 隔离。按AS/NZS3439.1标准，SafeStart最大能满足Form4a的隔离要求，即母排区与设备区分隔，设备区与电缆小室分隔，抽屉与抽屉之间分隔（如图6左图）。

1.3.5 挂锁。主开关手柄最大承重2kg，配备金属挂锁（如图6右图）。

1.4 易用性

更换抽屉的结构和功能时，只需少许工具，不论翻新、重新布线还是客户定制，成本都较低。

1.4.1 抽屉的标准尺寸。抽屉标准尺寸：深度400，宽度600，高度按抽屉规格可以分别为8E、12E、16E、20E、24E、32E（1E=25mm）。

每个抽屉包含：主开关的主回路电缆；主开关；主接触器；ABB INSUM设备和控制单元；信号和控制电缆。电气设备功能可选：热敏电阻保护；电压/电流测量；接地故障测量；循环监测。

1.4.2 单片式安装板。所有元件正面安装，易于布线或更换配件。相同规格的抽屉，安装板整合成通用板，减少改变抽屉配置的时间。

1.4.3 抽屉门板。抽屉门板安装于框架上，与抽屉独立。当抽屉移出时，门板仍在柜上，此时可关门避免粉尘进入，也避免人员与柜内接触，在抽屉维护或更换时防止飞弧伤人。门板采用专门的铰链，开门角度可大于120度，必要时也可取下。门上装有接地线。

1.4.4 拉手和横梁。抽屉大小为16E及以上时，抽屉左右侧面将安装拉手，可更安全方便地移动抽屉。

抽屉底部采用加强型横梁设计，操作人员不需要额外工具就可以将抽屉直接抽出或推入。

1.4.5 通风结构。抽屉左侧和后侧右部开百叶窗。抽屉工作时，可通风散热，故障时可作泄压通道。

1.5 主要结构参数

高度：2200mm（ABB标准高度）/宽度：400、600、800、1000、1200mm/深度：600、800、1000、1200mm/基本尺寸：E=25mm/表面处理：镀锌/防护等级：IP31、IP41、IP42、IP54。

1.6 SafeStart柜的关键技术数据

1.6.1 适用标准：设计验证测试IEC61439-1、IEC61439-2、AS3439.1。

1.6.2 电弧故障测试 IEC61641/AS3439.1。

1.6.3 测试机构ASTA/NATA（National Associatation of Testing Authorities，Australia）。

1.6.4 电气数据：

第一，额定电压：额定绝缘电压Ui 1000V 3相；额定工作电压Ue 400V、415V、440V、500V、690V 3相；额定冲击耐受电压Uimp 6/8/12kV；过电压等级Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ；额定频率可达60Hz。

第二，额定电流：主母排——额定电流可达6300A，额定峰值电流可达250kA，额定短时耐受电流可达100kA。

对应不同的主母排电流，骨架也有不同要求：当母排电流≥3200A时，全系统背部骨架防磁，同时进线柜电流经过方向的纵向骨架防磁。当主母排电流<3200A时，全系统所有骨架不防磁。

角排——额定电流可达1500A，额定峰值电流可达176kA，额定短时耐受电流可达80kA。

1.6.5 塑料件采用无卤、自熄、阻燃、无氯氟烃材料。

1.6.6 其他。铜排表面处理：裸铜、镀银或镀锡，热缩等。

1.6.7 故障电弧。额定电压：415V/80kVA@IP54 690V/

50kVA@IP54预计短路电流：可达80kA；持续时间：300ms。

1.7 其他

1.7.1 加热器、照明设备、火灾监测器等辅助设备。当相对湿度大于80%（24小时平均湿度）时，可使用加热器除湿。安装原则为：加热器需装于被保护装置下部，一般指柜体底部。多片加热器均布除湿比一片大功率加热器除湿更有效。

当柜体环境光线不佳时，可加装照明设备。根据实际情况，在柜内酌情安装。

当客户有火灾监测的需求时，可加装火灾监测器，具体位置参考照明设备的安装。

1.7.2 灭弧罩的安装。当柜体后方为通道时，标准通风窗外需增加灭弧罩，以避免母排发生故障时飞弧伤人。当柜体靠墙安装时，则无需安装。

2 结语

SafeStart低压开关柜定型至今，现已有成套低壓柜在现场运行。该柜型优异的性能和合理的设计得到了客户的赞扬和信赖，为ABB赢得了良好的效益和声誉。

参考文献

[1] 低压成套开关设备和控制设备（GB 7251.1）[S].

[2] ABB SateStart低压开关柜产品说明书（英文版）[S].

[3] ABB Engineering guildline[S].

[4] ABB Engineering notice[S].

[5] ABB低压开关柜MNS3.0样本[S].

（责任编辑：黄银芳）