配電柜的結構設計理論及創(chuàng)新

呂佳

摘要：配電柜的結構設計中，結構設計的理論直接關乎配電柜設計的效果。配電柜，是一種安裝配電設備的機柜。做好配電柜設計工作，能保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。本文總結了配電柜的種類和特點，研究目前配電柜設計的主要理論，并論述其中存在的問題，提出相應的創(chuàng)新對策，以期促進配電柜設計理論創(chuàng)新的深入探索。

關鍵詞：配電柜;結構設計;理論;創(chuàng)新

引言：

配電柜結構的合理化設計，可顯著降低配電柜使用和維護過程中問題發(fā)生的頻率，但由于當前該設計理論研究中仍存在明顯不足，導致配電柜結構設計經常忽視一些關鍵的影響因素，導致配電柜的結構設計不合理，

所以需要創(chuàng)新配電柜的設計方法，完善相應的設計理論。

1配電柜的種類和特點

配電柜是分派電能的設備，以配電節(jié)制作為電能派發(fā)的規(guī)則，也能對短路、過載、有漏電問題時作出反應，及時通過斷電保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過所使用配電柜能夠提升配電設備的美觀性，并且避免配電柜內設備受到灰塵影響，保證配電工作的可靠性[1]。目前常見的配電柜包括固定面板式、防護式、抽屜式、能源照明式等種類，針對不同的需求應用于對應場景。

1.1固定面板式配電柜

固定面板式配電柜的反面為柜面的子板，子板具有遮擋配電柜內部設備的作用，可以根據(jù)需要開合，后背和側面是關閉式的。由于這類配電柜的結構比較特殊，封閉性相對比較差，因此對配電柜的保護效果也比較差，很難確保配電柜的安全，所以一般都在持續(xù)供電并且安全水平較高的環(huán)境中使用。

1.2防護式配電柜

防護式配電柜除了必須在外側安裝的電氣元件，其他所有的裝置都使用擋板進行防護，而且擋板使用專用材料制成，能保證內外的絕緣效果。配電柜內部的間隙用特殊材料填充，能保證供電的穩(wěn)定性，在工藝現(xiàn)場具有較好的表現(xiàn)[2]。

1.3抽屜式配電柜

抽屜式配電柜是目前安全性能最高的配電設備，柜體結構使用了特質的鋼板，在柜體內部設置了多個抽屜，根據(jù)固定規(guī)則，將所有的電器元件都設置在抽屜內，構成了具有獨立功能的單元。所以抽屜式配電柜的穩(wěn)定性很強，并且使用時也有方便、安全的優(yōu)勢，而且需要進行電器元件的快速調換，一般使用這類配電柜。

1.4電源照明配電柜

能源照明配電柜使用封鎖式的安置方式，可以根據(jù)使用場景對安全等級要求的不同改變配置，多數(shù)能源找平配電柜都作為初級配電裝備使用，比如在工礦企業(yè)生產時用于配電節(jié)制中。

2配電柜柜體結構設計分析

2.1配電柜柜體結構形式

配電柜的基礎結構為柜體，在柜體的上方有柜門，為了確保配電柜具有足夠的散熱性能，一些配電柜加入了水冷設計，在柜體的左側面和右側面設置儲水槽，在儲水槽的上方設置進水口、下端設置出水口[3]。這種結構

下配電柜的散熱性能更強，所以配電柜的工作狀態(tài)也相對穩(wěn)定。

2.2配電柜設計中常用技術

2.2.1緊固件的拼裝和連接

使用特殊設計的緊固件可以將配電柜的各個部分零件有效連接起來，在使用緊固件時，必須先進行表面的預處理，之后根據(jù)標準進行設計。緊固件設計能降低庫存的難度，也能控制配電柜的成本，提升交貨速度。緊固件有靈活的特點，配電柜使用后也能根據(jù)周圍環(huán)境調整尺寸，滿足使用需求。但是緊固件的牢固性不足，而且必須配件具有極高的精度才能保證使用效果，所以制造成本也很高，為控制成本，所使用的括螺釘、螺母等都采取標準化制造。

2.2.2焊接工藝

焊接工藝有加工方便的優(yōu)勢，而且結構相對于使用緊固件更加可靠，但是由于焊接過程中有較高的溫度，導致柜體容易出現(xiàn)不規(guī)則變化，所以焊接之后柜體的尺寸和原有的設計尺寸之間會存在差異，所以對焊接人員的技術能力要求很高。同時，由于焊接之后不能再對尺寸、外觀進行調整，因此焊接之后也難以進行維護[4]。使用焊接方式的柜體在制成后很容易發(fā)生變形，會影響配電柜的美觀，因此焊接時必須先預焊支撐件，以便能控制焊接出現(xiàn)的變形，而且也要通過對整體進行熱處理，保證關鍵結構的焊接精度。

2.3.2焊接和緊固件綜合使用

由于焊接技術和緊固件擁有各自特點，為了提升綜合性能和完善配電柜的功能，可以將兩種技術綜合使用，提升配電柜的穩(wěn)定性。在設計中，需要結合實際情況確定配電柜的最合理結構形式，或者根據(jù)客戶的要求使用相應的國家標準、行業(yè)標準開展配電柜的設計工作，并根據(jù)客戶的要求不斷進行優(yōu)化和調整，滿足特殊的需求[5]。如果柜體內部有外形較大，而且自重較大的電氣元件，應該優(yōu)先使用焊接形式的柜體結構;如果場地存在限制，而且需要確保電氣元件更換方便應該使用組裝復制結構;在對整體精度要求較低，配電柜內部元件較少，可以選擇箱式或者焊接式的結構。

2.2.4配電柜材料

不同類型的而材料在性能上有明顯的區(qū)別，所以需要針對配電柜的要求選擇合適的材料，以滿足配電柜的性能需求和相關行業(yè)標準要求。設計人員還要注意各種鈑金加工工藝要求和材料性能要求，在設計中可以專門開展加工實驗驗證材料的性能和特點，保證對各種材料的合理使用、提升材料和工藝的契合程度，避免由于過度設計導致浪費，也能滿足性能要求。

2.3配電柜結構影響因素

配電柜需要保持穩(wěn)定性，避免內部結構受到沖擊等作用，以保證配電工作的有效執(zhí)行。設計過程中，需要考慮配電柜所處環(huán)境所導致的溫度場、電磁場、流場等影響，以及所處的精力、動力狀況也會影響產品的穩(wěn)定性。外部因素的作用將會導致配電柜的疲勞度增加，降低配電柜結構的靜強度，導致配電柜的壽命下降[6]。所以，在設計之前應該充分研究配電柜所處環(huán)境的外部作用，尤其分析沖擊、震蕩等荷載的影響，使用有限元分析等技術進行配電柜的靜力學、動力學分析，在掌握配電柜結構的靜態(tài)、動態(tài)性能后進行配電柜的機構是優(yōu)化工作。

3配電柜結構設計理論

3.1配電柜結構設計理論存在的不足

由于電力在很多場景中的大量使用，所以高低壓配電柜大量應用在不同的場所中，對配電柜的結構設計工作提出了更嚴格的要求。有些配電柜的設計工作中，可能在需求分析工作中存在認識局限，并沒有充分考慮配電柜后期維護和保養(yǎng)方面的需求，導致配電柜門體結構在設計上存在局限性，影響現(xiàn)場安裝，后期保養(yǎng)也非常不方便。很多交流低壓配電柜的內部電器單元一般都集中在一起布置，使得配電柜內部存在交線混亂的問題，在安裝和檢修上極為不方便。針對可能存在的運行風險，一些配電柜為了控制成本可能會不對計量表設置專門的防護，導致計量表很容在外部影響下受到破壞，也很容易遭到破壞或者被人故意調整，導致計量表的數(shù)值改變[7]。一些柜體可能會安裝完全封閉的地板，嚴重影響配電柜的散熱性能，電氣元件也容易因為高溫導致?lián)p壞。還有一些配電柜是的散熱開口過大，雖然散熱效果有所提升，但是也很難阻隔灰塵和昆蟲，導致配電柜出現(xiàn)損壞的概率上升。

3.2設計理論解決方案

目前配電柜出現(xiàn)設的設計問題主要來自于理論不健全，導致很多設計人員并沒有充分考慮配電柜應過程中的情況和各方面需求，很多關鍵的設計要求都被忽略，造成配電柜結構設計的失敗。為此，設計人員在設計時應該充分考慮各方面的不同需求，并使用合理的設計方法提升配電柜的設計效果。

可以將配電柜的內部空間設計成由多個隔板構成的多個電氣室，對每個電氣室分配不同功能，包括計量室、進線開關室等等，在各個電氣室的開口位置都要設置嵌有玻璃視窗的金屬板，用螺釘固接金屬板的四角實現(xiàn)對玻璃視窗的固定。出現(xiàn)開關時可以設置多個排列緊湊的斷路器，有效利用空間，并保證內部的整潔。通過該設計，可以讓配電柜內部結構更容易調整，滿足維修、調整的需要，也能提升配電柜的安全性，控制灰塵和小動物的進入。

4配電柜結構設計創(chuàng)新和應用

4.1散熱設計

在配電系統(tǒng)負荷不斷增加的情況下，需要提升配電柜的散熱性能，為此可以針對配電柜的散熱需求進行創(chuàng)新。可以在配電柜的側板、頂板、底

板等位置設置專門的散熱口，為了確保排風效果，不同散熱口需要保持一致的大小，并且散熱口位置需要專門設置可拆卸的封板，滿足不同的散熱需求。

4.2輕量化設計

配電柜的自身質量、布置形式、靜態(tài)特性將會直接影響配電柜的工作性能，所以設計過程中需要使用輕量化設計實現(xiàn)對配電柜的減重，不僅可以降低配電柜自身的負荷，也可以用較少的材料實現(xiàn)設計目標。所以需要選擇合適的配電柜尺寸參數(shù)，優(yōu)化配電柜的結構。傳統(tǒng)的設計中，都會使用經驗模型作為配電柜的設計基礎，這種方式會導致材料浪費，不能滿足經濟性的要求，為實現(xiàn)輕量化設計，需要使用有限元技術建立參數(shù)化的模

型，以板厚作為配電柜的優(yōu)化設計變量。

圖1優(yōu)化后的柜體結構位移云圖

配電柜的參數(shù)敏感度分析，通過在設計稿空間內隨機取樣，分析配電柜板體對各種等效應力、配電柜質量的敏感度，之后根據(jù)參數(shù)確定優(yōu)化方式。根據(jù)響應面對柜體進行輕量化設計，抽取一定數(shù)量的樣本，之后建立數(shù)學模型，尋找最優(yōu)解;為了能進一步確定響應面的準確性，可以插入校驗點檢查響應面擬合程度。確定響應面之后，可以減輕柜體的重量，根據(jù)設計變量、狀態(tài)變量、目標函數(shù)進行優(yōu)化，之后使用結構位移云圖確定優(yōu)化效果。

結束語：

配電柜的結構會影響配電柜的性能，因此在設計過程中必須優(yōu)化結構，針對目前配電柜結構設計理論問題，可以采用各類新技術完善配電柜的結構設計，不斷對結構的散熱、質量等方面進行創(chuàng)新，提升結構設計的科學性，滿足配電柜使用要求。

參考文獻：

[1]張瑤.配電柜的結構設計理論及創(chuàng)新研究[J].科技風，2020（14）：18.

[2]楊志偉.電氣成套裝置的結構設計理論及創(chuàng)新方向分析[J].決策探索（中），2020（04）：70.

[3]羅鵬飛，吳章萍.高強度抗震功能配電柜的相關研究[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（21）：70-71.

[4]劉超.配電柜結構性能分析及輕量化設計[D].西南交通大學，2018.

[5]吳夢維.低壓配電柜在廣寧配電網中的應用研究[D].華南理工大學，

2018.

[6]彭偉，黃靖，任恒，楊毅.基于全氟三乙胺冷板的高空開式配電柜的熱設計與分析[J].電子制作，2017（11）：12-14.

[7]周立人.機房配電柜微環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].山東科技大學，2017.