配電柜高效節能的優化設計

◎彭江鷹

一、配電柜的概述

電力配電有一級配電和二級配電，一級配電是動力配電，是把電能分配到不同地點的下級配電設備，二級配電是動力配電柜和電動機控制中心的統稱。在配電的各個環節需要的配電柜有隔離柜、進線柜、出線柜、母線聯絡柜、電容器柜、計量柜、GIS 柜等。

外部電源首先進入隔離柜，隔離柜沒有分斷和接通負荷的能力，只是方便維修人員進行維護和檢修；經過隔離柜后，進入進線柜，在進線柜接受電能，由進線柜中斷路器進行分斷和接通負荷的控制；如果系統電源進線有兩路，且兩路互為備用時，需要通過母線聯絡柜將兩路電源的主母線進行聯通；PT柜、計量柜中安裝的電壓互感器、電流互感器以及計量裝置，檢測母線電壓、電流和實現保護功能；進線柜的旁邊安裝電容器柜，進行電網無功功率的補償或用電設備的功率因數提高；出線柜用來分配電能，母線匯集的電能通過出線柜輸送給變壓器或者其它用電設備、終端用戶。配電柜在分散負荷、回路較少的場合使用，一般我們看到配電柜都是安裝在比較隱蔽的角落。

配電柜內通常配備斷路器、隔離開關、負荷開關、接觸器、轉換開關、按鈕開關等控制設備，避雷器、熔斷器、熱繼電器、微機處理器、中間繼電器、時間繼電器等保護設備，電壓互感器、電流互感器、電壓表、電流表等計量電器，電容器等補償設備，另外還有PLC、變頻器、指示燈等。

二、配電柜運行中存在的問題

1.溫度升高。

按照國標設計和制造的電氣設備正常運行時環境溫度上限值為≤40℃，配電柜中安裝的電氣設備，長時間運行的過程中產生大量的熱量，尤其變頻器產生的熱量更大，很容易使配電柜內部的溫度達到并超過40℃。

2.積累灰塵。

配電柜內電氣設備在運行過程中，因為工作特性產生電位差和靜電，將大氣環境中的灰塵、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形成堆積，使各設備無法正常散熱，導致配電柜內溫度更加升高。

3.降低絕緣性能。

配電柜內電氣設備上吸附的塵埃微粒形成塵埃膜電阻，極易造成電氣設備的絕緣強度降低，導致配電柜內設備放電，易導致電弧事故；電氣設備在高溫下長期運行，導致電氣設備的線圈、引線等絕緣電阻降低、絕緣性能下降、泄漏電流增大，導電性增強，易導致短路事故。

4.造成電氣設備誤動或拒動。

溫度過高，會影響保護設備的穩定性、動作的可靠性，造成保護設備誤動作，不能及時切斷故障。斷路器、隔離開關、負荷開關等機械結構的電氣控制設備，設備上吸附的塵埃微粒極易造成機械結構卡滯，造成執行電氣操控命令時拒動。

5.造成控制系統失靈或故障。

配電柜內的變頻器、控制器、PLC 等裝置中的電路板，工作時產生的電場吸附的塵埃微粒落在電路板上，一是對電子元器件的金屬引腳產生腐蝕，造成電路板控制失效；二是灰塵與濕氣混合會形成電阻網絡，造成控制電路失靈，或者會使電源短路燒壞保險。

6.溫度過高會影響計量的準確性。

溫升和絕緣是電氣設備的兩個重要指標，溫度每升高8℃，電氣設備壽命則降低一半，必將使配電柜內電氣設備縮短使用壽命，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生。

三、配電柜的問題解決方式

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

1.閉環冷卻，配電柜外部空氣與配電柜內部不進行對流，為配電柜安裝合適的機柜空調或者熱交換器，內部循環制冷降溫。

2.開環冷卻，配電柜外部空氣與配電柜內部進行對流，為配電柜安裝風扇強迫對流進行散熱降溫。

3.自然冷卻，配電柜外部空氣與配電柜內部進行對流，利用自然風進行散熱降溫。

防塵的方式是設置過濾器阻擋塵埃的進入。

四、配電柜散熱防塵研究現狀分析

關于配電柜散熱防塵問題的研究，學者蔡云龍研究的一種具有除塵和散熱結構的配電柜，采用收卷軸、升降管、氣泵和吸塵器進行配電柜的散熱和防塵。散熱風機對配電箱體內部進行吹風散熱，收卷電機帶動收卷軸轉動的同時帶動升降管進行往復升降運動，氣泵對升降管的內部鼓入空氣進行電氣元件除灰，同時吸塵器對箱體的內部進行吸塵。

關于配電柜散熱防塵問題的研究，學者俞陽貞研究的防塵配電柜，采用彈性氣囊和氣缸進行配電柜的散熱和防塵。利用氣缸頂出時擠壓氣囊產生大量集中的氣體吹向配電柜中設備，即可散熱又可除塵。

關于配電柜散熱防塵問題的研究，新鄉市中州電器有限公司學者王長峰研究的一種可防塵水冷式配電柜，采用四組風機與換熱組件進行配電柜的散熱和防塵，在閉環的氣流循環區域內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入配電柜中。

關于配電柜散熱防塵問題的研究，蘇州依斯倍環保裝備科技有限公司的學者沈騫如[6]研究的熱交換電氣柜及其散熱裝置，在柜內采用安裝風機、換熱管、風管和換熱源等散熱裝置進行柜內的散熱和防塵。將風機和換熱管安于風管內，風機通向風管，換熱管通向換熱源，風管通向電氣柜，風機循環將熱空氣抽吸并排除到風管內，經換熱管降溫冷卻后通過風管輸送回電氣柜內。閉環冷卻方式，設備無需與外接接觸，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備，設備在柜內占空間，并且增加成本。為了解決散熱和除塵兩個根本問題，為了提高配電柜的高效節能，我將采用開環冷卻和自然冷卻相結合的方式進行散熱降溫，采用加防塵網的方式進行防塵，以低成本、高效率對配電柜進行優化設計。

五、本方案配電柜的優化設計

（一）配電柜優化設計方案

1.增加兩個出風口。采用百葉窗窗結構設計，對稱開設在配電柜的左上側和右上側，每側開設四個出風口。

2.增加兩個進風口。采用百葉窗窗結構設計，對稱開設在配電柜的左下側和右下側，每側開設四個進風口。采用進風口和出風口間是上下垂直對應，這樣可以引導氣流垂直通過配電柜內，以確保自然風對流順暢而提升冷卻效率。

3.增設兩個防塵網。在配電柜內部的下側，且與兩個進風口相對應設置有兩組防塵網，在配電柜的下側且與防塵網相對應的位置處開設有滑槽，在防塵網的外側設置有握把，防塵網從配電柜中可滑動并拆卸。

4.增設兩個散熱風扇。在配電柜內部的左上側、右上側分別設置兩個散熱風扇，這兩個散熱風扇是根據熱氣上升冷氣下沉的原理設計，柜內產生的熱氣集中在頂部，采用頂部兩個散熱風扇抽出方式使散熱效果更好；左下側和右下側分別設置兩個散熱風扇，下側的第一散熱風扇和第二散熱風扇位于防塵網的水平線之上，防塵網可以有效阻擋散熱風扇帶來的大量灰塵。采用四個散熱風扇進行開環冷卻，使柜內空氣與柜外空氣強迫對流，以達到柜內很好的散熱降溫效果。散熱風扇的選擇，根據每個配電柜內安裝電氣設備運行時產生的熱量以及容許的溫升而選擇，選擇時首先計算配電柜內所安裝電氣設備的總熱阻Rja：Rja=（Tjmax-Ta）／Pc，然后計算散熱風扇熱阻 Rsa 或溫升ΔTsa：Rsa = Rja-Rtj-Rtc，ΔTsa=Rsa×Pc，根 據 Rsa 或ΔTsa 和Pc 查散熱風扇的散熱曲線（Rsa 曲線或ΔTsa 線），根據散熱曲線值小于計算值，找到Rsa 曲線對應的風速，根據風速流經散熱風扇截面算出散熱風扇流量，根據Rsa 曲線上風速對應的阻力壓降選擇散熱風扇壓力工作點，選擇滿足流量和壓力工作點的風扇。安裝散熱風扇成本低，只需要在配電柜的頂部和下部分別開兩個方孔，用四個螺釘緊固散熱風扇即可，安裝簡便。

5.增設無線溫濕度傳感器、報警燈和擴音器。在配電柜的內部設置有無線溫濕度傳感器，配電柜本體基面的左上側安裝有報警燈，位于報警燈的右側安裝有擴音器。無線溫濕度傳感器進行監測配電柜內溫度和濕度，當超過設定值時，使報警燈閃爍并使擴音器發出報警聲音。無線溫濕度傳感器體積小，在柜內不占空間，同時無線溫濕度傳感器、報警燈和擴音器價格便宜，成本低。

（二）配電柜優化設計圖

根據設計方案做出配電柜的正面圖（a）、側面圖（b）、背面圖（c）、散熱風扇圖（d）、防塵網圖（e）如下：

六、本方案配電柜優化設計思路

配電柜使用時，首先根據配電柜中電氣設備的正常工作環境參數，把配電柜內部的無線溫濕度傳感器設置三個一定的值。

當配電柜內部的電氣設備開始運行時，內部的無線溫濕度傳感器開始檢測配電柜內的溫濕度，當內部的溫濕度超過第一個設定的值時，無線溫濕度傳感器使上、下兩個第一個散熱風扇開始工作，對配電柜內部進行散熱。

當配電柜內部的溫濕度超過第二個設定的值時，無線溫濕度傳感器使上、下第一個散熱風扇和第二個散熱風扇同時工作，同時對電柜內進行散熱，配電柜內散熱的效果更好，配電柜內的電氣設備得到保護。兩組散熱風扇，如果其中有一個損壞，另一個散熱風扇仍然正常對配電柜內部進行散熱，從而可以大大提高配電柜內部使用的安全性和內部元器件的使用壽命。同時，在散熱風扇對配電柜內部進行散熱同時，可以把位于散熱風扇下方的防塵網外部的灰塵進行過濾，進一步保障配電柜內部不會灰塵過多。

當配電柜內部的溫濕度超過第三個設定的值時，警報燈閃爍，擴音器報警，工作人員聽到報警聲，對內部進行檢查。可以先檢查防塵網上的灰塵是否過多，握住防塵網上的握把，向外抽拉防塵網進行拆卸，對防塵網進行清洗，清洗完之后再放回原處。

在平時的運行維護中應該對防塵網進行定期清洗，報警燈和擴音器就是為了防止忘記對防塵網的定期清洗出現灰塵較多造成防塵網堵塞的一個提醒。當防塵網被過多的塵埃堵塞造成配電柜內溫度升高，超過第三個設定的值時，通過警報燈閃爍和擴音器報警，提醒工作人員及時發現問題及時處理處理問題。

七、本方案配電柜優化的實踐意義

1.通過設置的百葉窗自然冷卻散熱，無需增添設備，無需改變柜內安裝結構，無需消耗電能，通過下進風口和上出風口的垂直對流，即可達到自然冷卻散熱效果，從而可以提高配電柜內部使用的安全性和內部元的使用的壽命，實現高效節能。

2.通過設置的上下兩組散熱風扇，使電柜內散熱的效果更好。在配電柜內溫度較高時，通過無線溫濕度傳感器分別啟動第一、第二散熱風扇對配電柜內進行散熱，對電配電柜內的電氣設備加以保護，從而可以提高配電柜內部元件的使用的壽命，整體的實用性更高。

3.通過設置的可拆卸防塵網，在散熱風扇對電柜內部進行散熱時，可以把外部的灰塵進行過濾，從而電柜內部不會因灰塵過多而影響元件的正常使用，且防塵網是可拆卸型的，當防塵網過濾灰塵較多時，可以及時對防塵網進行拆卸清洗，從而不會影響散熱風扇的正常運行，整體實用性更高。