電力二次保護插箱設計研究

江魏 張明輝 李陽

摘要：產品結構設計是為了實現產品各項功能而對產品內外部結構、形狀特征的構想和定義。一個好產品必須要實用，功能是產品存在的理由，所以功能是設計的第一位，其次才是形狀特征。一個好的結構設計并不是簡單結構堆積，其中蘊含了很多表面并不凸顯的要點。在產品生命周期的各階段可能逐漸凸顯這些優點，當然也有可能永遠不會顯現（比如某些安全預防功能）。結合筆者多年從事二次保護行業結構設計的經歷，歸納概括電力二次保護插箱結構設計的一般思路。

關鍵詞：構想;結構;思路

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）04-0159-02

Abstract：Product structure design is the conception and definition of internal and external structure and shape characteristics for the realization of various functions of the product.A good product must be practical， function is the reason for the existence of the product， so function is the ?rst design， followed by shape characteristics.A good structural design is not a simple accumulation of structures， which contains many surface does not highlight the point.These advantages may gradually become apparent at various stages of the product life cycle， or they may never become apparent（For example， some safety precautions）.Combined with the author's many years of experience in the structural design of secondary protection industry， this paper summarizes the general ideas of the design of secondary protection box junction.

Key Words：Design;Structure;Idea

近年來我國電力行業高速發展，帶動二次保護行業日新月異，掀起了多次技術變革。國內電力設備企業只有積極迎接智能電網帶來的變革，抓住機遇、接受挑戰，在不斷發展的過程中不懈努力，不斷提高。二次設備市場需求增長較快，行業產銷率波動幅度較小，行業抗周期能力較強。市場規模小，但相對進入壁壘高，行業巨頭壟斷性高。而且二次設備多是以IT軟硬件為主，屬于電子產品，更新換代頻繁。二次設備不僅能享受國家大規模電網建設產生的巨大新增需求，還有不斷產生的更新需求，在整個電網建設大周期下，行業展現出巨大生機。

在電力二次保護行業，鋁制插箱逐漸占據主導地位。威圖、西門子等是我國最早引進、影響最為廣泛的供貨商。隨著國內市場需求的增長，一大批從事二次保護的中小企業嶄露頭角。他們通過扎實的基本功，勤勤懇懇，逐漸成為我國二次保護行業的中堅力量。插箱作為二次保護行業中的一小部分，需大量經驗豐富技術人員來為其作支撐，做出好的產品服務于社會的發展。

結合筆者多年從事二次保護行業的結構設計經歷，歸納概括電力二次保護插箱結構設計的一般思路，希望對從事相關工作的技術人員有所幫助，促進行業的發展與進步。

1產品性能要求

一款插箱產品到底怎么樣，主要從外觀和性能兩個方向去評判。外觀是產品外形給人的第一印象，每個人或許有不同的審美，得出的結論也是有差異的。工業化的產品在外觀方面還是力求做到符合大眾審美，不搞特立獨行。

產品總體方案的設計非常重要，它能否滿足用戶、企業及社會對產品功能的需求。從總體上檢驗產品對總體目標的實現情況，檢驗產品在設計過程中是否貫徹產品的設計目標。對二次保護行業插箱而言，性能優劣的判定主要體現在以下幾個方面：（1）是否具備足夠的強度。裝配相應的電氣元件后，在振動和沖擊的模擬試驗中保持良好的穩定性。確保其在產品服役期間，為內外部功能器件提供堅強的物理支撐和防護;（2）是否具有良好的電磁兼容性能。不對外產生大量的電磁輻射和內部電氣元器件不被外部的電磁場干擾。電磁兼容性能涉及人身健康和環境保護，是電子產品質量最重要的指標之一;（3）是否具備良好的熱傳遞能力。電氣元件工作產生的熱量積累到一定值時，其能否及時傳遞出去，或者環境溫度較低時，通過加熱器件產生的熱量能否傳遞給箱體，使其內部環境溫度均勻且滿足各元器件的正常工作;（4）是否具備良好的防腐性能。在相應的環境條件下穩定運行，各部件經得起時間的考驗。如果防腐性能不強，輕的在表面上有損壞，嚴重的會引起設備功能部件的損壞，造成設備故障;（5）是否具備良好的兼容性能。硬件的兼容性主要是從產品結構兼容性和零件通用性兩個方面來看。產品結構兼容性好，能夠大幅降低生產成本，維護成本，以及新產品的研發成本。

2結構設計及相關因素分析

產品結構設計是為了實現產品各項功能而對產品內外部結構、形狀特征的構想和定義。一個好產品必須要實用，功能是產品存在的理由，所以功能是設計的第一位，其次才是形狀特征。產品要實現其各項功能必須依賴結構來實現。結構設計是最基礎，也是最復雜的工作環節，對產品起著至關重要的作用。設計者既要構想一系列關聯零件來實現各項功能，又要考慮產品結構緊湊、外形美觀;既要安全耐用、性能優良，又要易于制造、降低成本。結構設計師需要全方位和多目標的空間想象力，并跨領域的協調整合，根據各種要求與限制條件尋求對立中的統一。就保護類插箱而言，具體來說主要考慮以下內容：

2.1遵循行業規范

IEC60297是被廣泛遵循的國際標準，經過多年的發展，標準也在更新和細化。我們國家對應標準是GB/T19520，兩個標準我們可以認為是等效的。二次保護插箱的典型布置，如圖1。

就保護類插箱而言，主要關注的是接口要求和外形尺寸要求。接口主要包括插箱與柜體的連接，插箱內部插件板與總線背板的連接。插箱與柜體的連接主要體現在上屏螺釘的位置上（當然非標準插箱不受此限制），常規全寬安裝孔距為465.1mm，豎直方向上的安裝尺寸根據箱體的高度而定，具體尺寸上述標準文件有相應的規定。插箱內部插件與總線背板的連接，主要取決于連接器的種類和遵循的標準。保護類插箱PCB插拔連接器，廣泛遵循DIN41612歐標，國際標準IEC60603-2，對應國標為GB/T15157系列標準。這些標準最核心的共同點是B列插針的位置要求，如圖2。

可以認為其決定了總線背板上連接器的位置，同時也決定了插件PCB板在插針橫向的位置，具體尺寸上述標準文件也有相應的規定。

IP防護等級是由IEC（國際電工委員會）所制定，將電器件按照防塵、防潮的性能加以區別分級，是電氣設備安全防護的重要評判標準。就保護類插箱來說，很難實現完全防塵和防潮的要求，但可以通過減小表面開孔大小來降低外界異物進入箱體的風險，通過適當結構設計降低水滴進入箱體的可能性。提升箱體的IP防護等級，往往會犧牲產品的成本優勢，防護等級越高，成本增加的越大。在實際工作中，往往需要綜合考慮產品的性能要求和產品成本，選擇適當的IP防護等級。

2.2材料選擇

二次保護行業插箱經過長時間的發展和更新換代，逐步形成以鋁制材料為主，其它材料為輔的產品形態。鋁的密度是2.7g/cm?，是鐵的2.8倍，導熱性能好，僅次于銀、銅和金，價格低廉，資源豐富。鋁和氧親和力強，在大氣中鋁的表面生成一層致密Al2O3薄膜，可以阻止鋁的進一步氧化。當然插箱的組成材料不僅限于鋁材，也采用相當多的其它種類材料。比如有絕緣特性的玻璃絲布板、有透明特點的PC材料、耐摩擦性能較好的尼龍66等。選材除了考慮上訴列出的特殊性能要求外，還應根據GB14598.27要求考慮材料的耐溫性能、阻燃性能。

2.3生產制造

行業的發展現狀是材料、力學、設計、制造等多個科學技術領域共同努力的結果。其中生產制造直接擔負將設想變為現實的任務。產品如何轉變、轉變方法是否簡單、轉變成本是否低廉等這些內容都不應該是設計師主要考慮的，但現實卻不是這樣的。在激烈的市場競爭中，設計師在設計產品的時候卻不能不兼顧生產實際，特別是大部分結構工程設計師。對于中小企業來講，一個好的結構設計，一定是能實現設計師的對產品的功能構想，一定是便于高效率生產的，一定是便于企業降低生產成本的，一定是便于保證產品質量穩定的。所以廣大的工程技術人員需要不斷積累和學習一定的生產制造經驗，并將其用于產品的設計開發中。

2.4客戶體驗

客戶體驗看起來有些虛無飄渺，似乎是魔法的產物，實際上，客戶體驗來自具體可控的因素。客戶體驗是客戶在使用一個產品之前、使用期間和使用之后的全部感受，包括情感、喜好、認知、生理和心理反應等各個方面。無論你在創造體驗時是有意還是無意。這種體驗究竟是完美、糟糕還是在業內處于平均水平，完全要取決于產品和服務。良好的用戶體驗有助于企業不斷完善產品和服務，增強企業產品競爭力。對于工業產品來講，用戶體檢沒有像互聯網系統產品那樣追求多樣化和個性化。工業產品主要追求規范、簡潔、易用、耐用等方面。

2.5產品服役和壽命終結

產品在實際的工作條件下，能夠在壽命期內持續穩定運行。在設備出現故障的偶發事故中，要有完善且便利的更換和退出機制。要使產品的更換或升級變得方便，同時減小此類工作對其它產品或部件產生影響。在產品壽命期終結期，要能實現簡單、快捷的退出，包括產品設備的快速拆除、分解、物料回收、不污染環境等。這需要工程設計人員在做產品設計時考慮產品全生命周期，包括產品孕育期、產品生產期、儲存銷售期、服役期和轉化再生期。貫徹綠色設計思想，統籌考慮產品生命周期各階段。

3結語

我國對電網一、二次設備使用年限有明確規定，按技術規范和管理要求，一次設備使用壽命不超過30年、二次設備使用壽命不超過12年。我國進入大電網時代以后，電網投資陸續加速，2006—2009年進入建設高峰，這一批陸續需要更新換代。再加上國家電網農電系統大力實施“三新”農電發展戰略，著力推進農村電網建設與改造“戶戶通電”工程、新農村電氣化建設、農電企業規范化管理工程和農電隊伍素質提升工程等，市場前景廣闊。

插箱的結構設計看似比較簡單，但對于廣大從業者來說還是需要逐漸的積累經驗和教訓。一個好的結構設計并不是簡單的結構堆積，其中蘊含了很多表面并不凸顯的要點。在產品生命周期的各階段可能逐漸凸顯這些優點，當然也有可能永遠不會顯現（比如某些安全預防功能）。本文僅是結合工作經歷，歸納電力二次保護插箱結構設計的一般思路和方法。文中所言僅供參考，不正之處敬請指正。

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