关于低压成套开关设备产品的设计研究

关于低压成套开关设备产品的设计研究

胡月

南京大全电气有限公司 江苏南京 210000

摘要：低压成套开关设备是低压供配电系统中分配、保护、控制、转换电能的重要电气设备，其功能性、安全性和稳定性能够对低压供配电系统的运行状态产生直接的影响，因此，如何提高低压成套开关设备产品的设计科学性是人们关注的焦点。本文将对低压成套开关设备产品设计中的进线主回路和母联主回路设计环节进行探究，以明确低压成套开关设备产品的设计要点，总结出提升产品设计可靠性的有效策略，以期提高我国低压成套开关设备产品的设计能力，推动电力行业的发展。

关键词：电力系统；低压成套开关设备；产品设计

目前低压成套开关设备产品已经被广泛应用到各个行业领域中，成为生产生活不可或缺的重要电气设备。随着时代发展，为满足人们不断提高的使用需求，对低压成套开关设备产品的设计进行深入分析，从“进线主回路”和“母联主回路”两个关键设计环节，探究改善开关设备应用效能的具体方法，总结提升产品设计可靠性的有效策略，对于推动电力行业的发展具有重要的实践意义。

1. 低压成套开关设备进线主回路设计要点

（一）进出线方式

现阶段低压成套开关设备真空断路器有“上进下出”和“下进上出”两种进出线方式。在变压器出线位置出现母线槽较多的情况下，宜采用“上进下出”的进出线方式，即真空断路器下端一次接线端子与开关设备主母线连接，上端的一次接线端子与母线槽直连。在变压器出线位置为电缆的情况下，宜采用“下进上出”的进出线方式。

（二）保护接链形式和断路器技术

低压电力系统保护接地形式对低压成套开关设备接地形式具有直接影响。若电力系统的接地形式为TN-S，则可以直接将配变低压侧的中性线与大地相连，同时分出N线和PE线，与三相线一同接入到低压成套开关设备中；若电力系统的接地形式为TN-C，则应将接地线与配变低压侧中心线合并后与三相线一同接入开关设备中。

低压电力系统保护接地形式还会直接影响低压成套开关设备的低压进线回路断路器级数。若电力系统的接地形式为TN-C，则可以选用3P真空断路器；若电力系统的接地形式为TN-S，则应选用4P真空断路器，对应主母线也应选用四级母排配置^[1]。

（三）低压进线与母线的互锁关系

以双回进线的单母联低压成套开关设备为分析对象，将真空断路器分别表示为QF₁、QF₂、QF₃，则三个断路器之间的互锁关系为：

在互锁关系中，当QF_x为1时，表示此时该断路器处于闭合状态，当QF_x为0时，表示此时该断路器处于断路状态，符号上方出现横杠则表示求反。有上述互锁关系可以发现：设备正常运转过程中，任意时刻只能有2台真空断路器同时处于闭合状态，由此可以进行如下三种互锁关系的设计：（1）电气互锁，即在真空断路器的二次控制单元中加入互锁关系。电气互锁是目前应用最为广泛的互锁关系，具有不受距离限制、控制灵活、安装便捷等设计优势（2）机械互锁，即利用钢丝、拉杆等构件，在母线与低压进线之间加入互锁关系。由于加有实体构件，机械互锁作用距离有限，但可靠性和稳定性更好（3）合闸钥匙互锁，即仅为3个真空断路器配置2把钥匙，利用对真空断路器合闸钥匙的控制，建立互锁关系。在产品具体设计过程中，设计人员应结合用户具体需求和行业标准合理选择压进线与母线的互锁关系。

二、低压成套开关设备母联主回路设计要点

低压成套开关设备母联主回路设计主要有三个设计要点：

1. 母联断路器的设计。通常情况下低压成套开关设备母联断路器的保护方式为长延时过载保护和瞬时速断短路保护。当电力系统处于TN-S接地形式时，若进线选用带接地故障的四段保护，设计人员应选用4P真空断路器作为母联断路器；当电力系统处于TN-C接地形式时，若进线选用带接地故障的三段保护，则设计人员应选用3P真空断路器作为母联断路器。通常情况下，因母联断路器的供电负载仅为主母线的1/2，所以在进行设计时，既要确保进线断路器的额定工作电流要比母联断路器高一个等级，又要确保母联断路器额定电流大于进线断路器额定电流的50%。

2. 母联回路的电气测量。母联回路电气测量主要是对三相电流和三相电压两个电气量的测量。通常情况下，低压成套开关设备母联回路中会设计三个电流互感器，用了进行回路的电气测量。除了上述方法，还可以在不使用测量仪表的情况下，利用断路器的保护装置完成电气量的测量。

3. 母联断路器的投切设计。母联断路器的投切指的是当开关设备的某路进线出现失压问题时，先将当前线路断路器断开，再将母联断路器闭合；当失压问题解决后，先将母联断路器断开，再将问题线路断路器闭合。上述投切关系也称为备自投操作，其既可以通过中间继电器和时间继电器来实现，又可以通过PLC来实现。随着信息技术的不断发展，PLC的功能愈发完善和强大，已经能够实现复杂逻辑关系的处理，因此，当遇到对联断路器投切可靠性和准确性有较高需求的用户，设计人员应优先选用PLC进行投切控制^[2]。

三、提升低压成套开关设备设计可靠性的策略

可靠性是衡量低压成套开关设备产品设计效果的重要指标，因此，设计人员应将提升产品可靠性作为优化设计的核心指导思想。一方面从设计理念与技术层面实现产品性能的提升，另一方面通过确立产品可靠性指标，实现产品应用效能的提升。

从可靠性参数层面出发，有效性、可维修性、可靠性是衡量低压成套开关设备可靠性的重要技术参数。其中可靠性又可分为可靠度、平均故障间隔、故障率三个细化指标；可维修性又可分为平均修复时间、修复率、维修度三个细化指标；有效性则是上述两个技术参数的综合性反映。产品设计人员，应明确上述技术参数的含义，并通过科学、合理的产品设计方案，有效提升低压成套开关设备的上述参数指标，从而满足人们对产品可靠性的基本需求。

从建立可靠性指标体系的层面出发，设计人员应以以下参数指标作为产品设计标准：（1）MTBF即平均故障工作时间。指的是设备在特定条件下维持正常功能的时间，因此，该参数是低压成套开关设备耐久性的主要体现（2）平均故障率 ，即对开关设备发生故障的频率或无故障性的考核（3）MTTR即平均修复时间，该参数是衡量开关设备维修性能的重要指标（4）可靠度R(t)，即正常工作状态下，开关设备在规定时间段内不发生故障的概率。通过围绕上述产品关键性技术指标，对产品的综合性能进行考核与评价，并结合检测结构进行针对性设计^[3]。

结语：

综上所述，低压成套开关设备在生产生活中扮演着重要的角色，其产品设计的好坏，对低压输配电系统的运行状态具有直接的影响，因此，产品设计人员应积极思考低压成套开关设备的产品设计要点，通过分析进线主回路和母联主回路两个关键设计环节的设计要点，从进出线方式、保护接链形式和断路器技术、低压进线与母线的互锁关系等多个角度进行优化设计，并在此基础上通过指导明确的可靠性指标体系来提高设计质量，确保产品设计能够满足人们不断提高的使用需求。

参考文献：

[1]王志刚,陈剑,王国忠.低压成套开关设备节能评价技术研究[J].质量与认证,2020(10):67-69.

[2]吴建川.低压成套开关设备内部母线选择与安装[J].设备管理与维修,2020(06):57-58.

[3]张碧野.低压成套开关设备内部母线的选择与安装及电气连接[J].信息记录材料,2019,20(05):60-61.