低压开关柜的柜体结构和工艺

低压开关柜的柜体结构和工艺特点

一、引言

柜体结构是低压开关柜组合基础, 因此柜体制造工艺就成了基础的基础。作为柜体它既要满足各电器单元的组合功能条件（如型式的统一, 组合的标准, 功能的分配等） ,还要满足柜体的固有要求（如坚固可靠、整齐美观、调整容易等） 。由于柜体结构要求不一, 以及制造单位加工手段不一, 它们的制造工艺就不能强求完全一致。但制造中也存在带普遍意义的较关键的工艺特点, 现将这些特点结合柜体结构选择作些简要介绍。

二、柜体结构和工艺特点

对于柜体结构及其工艺大致可以从:结构形式、连接方式、构件取材等方面加以区分。

（一）从结构形式上分

1．固定式:能满足各电器元件可靠地固定于柜体中确定的位置。柜体外形一般为立方体, 如屏式、箱式等, 也有棱台体如台式等。这种柜有单列, 也有排列。

为了保证柜体形位尺寸, 往往采取各构件分步组合方式, 一般是先组成两片或左右两侧, 然后再组成柜体, 或先满足外形要求, 再顺次连接柜体内各支件。组成柜体各棱边的零件长度必须正确（公差取负值） ,才能保证各方面几何尺寸, 从而保证整体外形要求。对于柜体两侧面, 因考虑排列需要, 中间不能有隆起现象。另外从安装角度考虑, 底面不能有下陷现象。在排列安装中, 地基平整是先决条件, 但平整度和柜体本身都有一定误差, 在排列中要尽量抵消横向差值, 而不要造成差值积累, 因为差值积累将造成柜体变形, 影响母线联结及产生组件安装异位、应力集中, 甚至影响电器寿命。故在排列时宜用地基最高点为安装参考点, 然后逐步垫正扩排, 在底面平整度较理想并可预测条件下, 也可采取由中间向两侧扩排方式, 使积累差值均布。为了易于调整, 抵消公差积累, 柜体宽度公差都取负值。柜体的各个构件结合体完成以后, 视需要还应进行整形, 以满足各部分形位尺寸要求。对定型或批量较大的柜体制造时应充分考虑用工装夹具, 以保证结构的正确统一, 夹具的基准面以取底面为妥, 夹具中的各定位块布置以工作取出方便为准, 对于柜体的外门等因易受运输和安装等影响, 一般在安装时进行统一调整。

2．抽出式:抽出式是由固定的柜体和装有开关等主要电器元件的可移装置部分组成, 可移部分移换时要轻便, 移入后定位要可靠, 并且相同类型和规格的抽屉能可靠互换, 抽出式中的柜体部分加工方法基本和固定式中柜体相似。但由于互换要求, 柜体的精度必须提高, 结构的相关部分要有足够的调整量, 至于可移装置部分, 要既能移换, 又要可靠地承装主要元件, 所以要有较高的机械强度和较高的精度, 其相关部分还要有足够的调整量。

3．制造抽屉式低压柜的工艺特点是：

（1）固定和可移两部分要有统一的参考基准;

（2）相关部分必须调整到最佳位置, 调整时应用专用的标准工装, 包括标准柜体和标准抽屉;

（3）关键尺寸的误差不能超差;

（4）相同类型和规格的抽屉互换性要可靠。

（二）从连接方式上分

1．焊接式:它的优点是加工方便、坚固可靠; 缺点是误差大、易变形、难调整、欠美观, 而且工件一般不能预镀。另外, 对焊接夹具有一定的要求: ①刚性好、不会受工件变形影响; ②外形尺寸略大于工件名义尺寸, 可抵消焊后收缩影响; ③平整、简易、方便操作, 尽量减少可转动机构, 避免卡损; ④为防止焊蚀和易于检修调整, 要选择好工件支持, 支持还要加置防焊蚀垫件。

工件焊后变形现象是焊接时由于焊接处受热分子膨胀, 挤压产生微观位移, 冷却后不能复位而产生的应力所致。为了克服变形影响, 必须考虑整形工艺。整形的方法一般有: ①通过试验预测工件变形范围, 在焊接前强迫工件向反方向变形, 以期焊后达到预定尺寸;②焊后用过正方法矫正; ③击、压焊接后相对收缩部分, 而得到应力平衡; ④加热焊接后相对松凸部分, 达到与焊接处同样收缩的目的; ⑤必要时对构件进行整体热处理。另外, 焊接点选择、焊缝走向、焊接次序、点焊定位对焊后变形现象都有一定的影响, 如处理得当可减少变形, 但这要视具体情况而定。

2．紧固件连接:它的优点是适于工件预镀, 易变化调节, 易美化处理, 零部件可标准化设计, 并可预生产库存, 构架外形尺寸误差小。缺点是不如焊接坚固, 要求零部件的精度高, 加工成本相对上升。紧固件一般都为标准件, 其种类主要有常规的螺钉、螺母和铆钉、拉铆钉, 以及预紧而可微调的卡箍螺母和预紧的拉固螺母, 还有自攻螺钉等。也有专用紧固螺钉（如国外引进的低压柜大多用专用紧固螺钉） 。

工艺特点:以夹具定形, 工装定位, 并视需要配以压力垫圈; 铆接一般要配钻, 且预镀件要防止镀层被破坏; 对于用精密的加工中心或专用设备加工的构件, 如各连接孔径与紧固件直径能保持微量间隙时, 则可以不用夹具进行装合, 一次成形; 对导向及定位件的紧固, 应以专用量具先定位再以标准工装检测。

3．焊接与紧固混合连接:它可以集中上面两种方法的优点, 一般在柜体的连接处采用电焊, 可变或可调部分则以紧固件连接。较大柜体因焊接后镀覆有困难, 表面多以涂漆处理, 户外柜体如以预镀材料为构件而又必须焊接时, 则焊接部分可用热喷镀金属来处理。

（三）从构件取材分

1．型材：型材有角钢槽钢也有特型钢管、特型槽钢。角钢槽钢的构件多以焊接形式连接, 加工中对连接端必须吻合而少间隙, 否则将影响焊缝而增大变形量; 对特型钢管构件的连

接则既可采用焊接形式, 也可以紧固件连接, 一般在连接部分要配以专用联接件, 联接件必须坚固正确, 否则将影响柜体外形。选用统一的特型钢管在统一面上布以统一间距（模数） 的孔, 配以统一通用的联结件, 按统一模数组合成柜体, 便于柜体设计, 便于备制构件和生产准备, 但加工孔量多而用的少, 而且空间利用受一定限制。

这种柜体的制造工艺特点是:要保证构件和联结件的通用性及其精度。柜的基本结构往往由封板得以加强。这种柜的构件除特型钢管外还以钢板制成的C 形槽钢或带筋矩形管来代替,C 形槽钢宜于镀覆, 带筋矩形管因酸洗后酸液难除, 镀覆后易翻锈, 要酌情选用。

2．板材构件（不指上述C 形槽钢及带筋矩形管）则完全可以按需要定形, 无预设成型条件限制。这类结构设计工作量大, 定型后变异少, 结构主要处多用焊接, 变异处或需调处多以紧固件连接（如低压控制箱和控制台等） 。

由于板材结构多用焊接、一次成形, 需克服板面因焊接而收缩或相对隆起的影响, 故焊接点要间距均匀, 焊缝要平整, 焊后要整形, 棱边要直, 两侧中间部分不得凸出于前后棱边, 若中间有隔板时, 应在处理好两侧后再焊。

台式控制柜最宜板材作构件, 当多台排列时, 台面应在整体排列后再统一调整定位。

三、结束语

从以上分析可知, 柜体结构的各种选择, 既要按开关设备的功能需要来决定, 又要以工艺条件作取舍, 而工艺水平的高低直接影响到柜体的结构设计和材料选择。故障线路，还会因MCB 的分断能力过小而引起MCB 的爆炸，危及人身和其它电气设备线路的安全运行。

低压配电线路的短路电流与该供电线路的导线截面、导线敷设方式、短路点与电源距离长短、配电变压器的容量大小、阻抗百分比等电气参数有关。一般工业与民用建筑配电变压器低压侧电压多为0．23／O ．4LV ，变压器容量大多为1600kVA 及以下，低压侧线路的短路电流随配电容量增大而增大。对于不同容量的配变，低压馈线端短路电流是不同的。一般来说，对于民用住宅、小型商场及公共建筑，由于由当地供电部门的低压电网供电，供电线路的电缆或架空导线截面较细，用电设备距供电电源距离较远，选用4．5kA 及以上分断能力的MCB 即可。对于有专供或有10kV 变配电站的用户，往往因供电线路的电缆萍面较粗，供电距离较短，应选用6kA 及以上额定分断能力的MCB 。而对于如变配电站(站内使用的照明、动力电源直接取自于低压总母排) 以

及大容量车间变配电站(供车间用电设备) 等供电距离较短的类似场合，则必须选用10kA 及以上分断能力的MCB ，具体设计时还必须进行校验。此外，特别要注意的三点是：

1．随着现代建筑物中配变容量的增大；大容量母线槽的使用以及用电设备与电源间的距离在缩短等各种因素，使供电线路末端的短路电流也在不断地增大，特别是一些高档的写字楼、办公楼、宾馆及大型商场等公共建筑，这类场合使用的MCB ，在设计时应加以注意。

2．MCB 有两个产品标准：一个是IEC898《家用装置及类似装置用断路器》

(GBl0963—1999) ；另一个是IEC947—2《低压开关设备及控制设备低压断路器》。!EC898是针对由非电气专业和无经验人员使用的标准，而IEC947—2是针对由电气专业人员操作使

用的产品标准。两个标准对MCB 的额定分断能力指标是不同的，对设计人员来说，一定要看具体使用场合和对象来选用MCB 。若按IEC947—2的额定分断能力来选用MCB ，应安装在供专业人员操作的箱柜中，并由专业人员操作，如各楼层、厂房内的照明总配电箱；若按IEC898来选用MCB ，可供安装在非专业人员使用的操作电箱中，如大会议厅、厂房内的照明开关箱中，这些使用对象都是一般的工作人员。因此在选用 MCB时一定要注意加以区别，不能混淆。

3．一般来说，MCB 的额定分断能力是在上端子进线、下端子出线状态下测得的。在工程中若遇到特殊情况下要求下端子进线、上端子出线，由于开断故障电流时灭弧的原因，MCB 必须降容使用，即额定分断能力必须按制造厂商提供的有关降容系数来换算。现在有些厂商制造的MCB ，上下端子均可进线及自由安装，分断能力不受影响，但笔者认为，在非万不得已的情况下，宜以上进下出为妥。MCB 的保护特性根据 IEC898，MCB 分为人、B 、C 、D 四种特性供用户选用：A ．特性一般用于需要快速、无延时脱扣的使用场合，亦即用于较低的峰值电流值(通常是额定电流／n 的2—3倍) ，以限制允许通过短路电流值和总的分断时间，利用该特性可使MCB 替代熔断器作为电子元器件的过流保护及互感测量回路的保护；B 特性一般用于需要较快速度脱扣且峰值电流不是很大的使用场合；与A 特性相比较，B 特性允许通过的峰值电流＜3In 一般用于白炽灯、电加热器等电阻性负载及住宅线路的保护；C 特性一般适用于大部分的电气回路，它允许负载通过较高的短时峰值电流而MCB 不动作，C 特性允许通过的峰值电流＜5In 一般用于荧光灯、高压气体放电灯、动力配电系统的线路保护；D 特性一般适用于很高的峰值电流(

从以上保护特性的分析可知，对于各种不同性质的线路，一定要选用合适的MCB 。如有气体放电灯的线路，在灯启动时有较大的浪涌电流，若只按该灯具的额定电流来选择MCB ，则往往在开灯瞬间导致MCB 的误脱扣。

在保护特性方面，瓜C898标准内明确规定，MCB 不能用于对电动机的保护，只可作为替代熔断器对配电线路(如电线电缆) 进行保护。在这方面，设计人员往往容易忽视，并且在一些生产厂商的样本和设计资料手册上也有一些误导的地方。大家知道，电动机在起动瞬间有一个5—7In 持续时间为10s 的起动电流，即使C 特性在电磁脱扣电流设定为(5—lO)In ，可以保证在电动机起动时避过浪涌电流；但对热保护来讲，其过载保护的动作值整定于1．45Jn ，也就是说电动机要承受45％以上的过载电流时MCB 才能脱扣，这对于只能承受＜20％过载的电机定子绕组来讲，是极容易使绕组间的绝缘损坏的，而对于电线电缆来讲是可承受的。因此，在某些场合如确需用MCB 对电机进行保护，可选用ABB 公司特有的符合IEC947—2标准中 K特性的MCB ，或采用MCB 外加热继电器的方式，对电动机进行过载和短路保护。 McB的使用频率

MCB的设计和使用是针对50~60Hz交流电网的，由于磁脱扣器的电磁力与电源频率、动作电流有关，因此对于在交流电压下使用的MCB 用于直流电路或其它电源频率场合的保护时，磁脱扣器的动作电流是不同的。一般应根据制造厂商提供的磁脱扣动作电流同电源频率变化系数来换算。当交流用MCB 用于直流电路的保护时，由于灭弧的原因，应选用类似西门子的5SX5直流专用MCB 。

McB的使用环境温度

MCB的过载保护依靠热脱扣器，通常，现有MCB 的热脱扣器额定电流是生产厂家根据IEC898标准在基准温度为30C 条件下整定的，MCB 的工作温度一般推荐为—25C —十55C 。热脱扣器由一种双金属片组成，当通过的电流达到某设定值并维持一定时间后使MCB 脱扣。因此，热脱扣器与温度是息息相关的。如环境温度变化将导致MCB 的工作温度变化，使热脱扣器的工作特性相应变化。由于MCB 通常安装于配电箱内，使用环境温度也不可能恒定为30C ，实际使用时，终端配电箱内的MCB 是紧密无间地安装在一起的，且大多数场合又是嵌在、墙内安装，导致散热效果差，使配电路内的温升上升很大，故MCB 的实际工作温度总比环境温度高10C~15C左右。因此，当环境温度大于或小于校准温度值时，我们必须根据有关制造厂商提供的温度与载流能力修正曲线来调整MCB 的额定电流值。一般来说，当环境温度大于或低于校正值10C 时，MCB ，的额定电流值须减小或增加5%左右。

MCB的前后级选择性配合

大家知道，在供配电线路中，对于保护电器必须达到“三性——选择性、快速性、灵敏性”。快速性和灵敏性分别与保护电器本身特点和线路运行方式有关，而选择性则与上下级保护电器之间的配合有关。配合恰当，则能有选择地将事故回路切除，保证供电系统的其它无故障部分继续正常运行，反之，则影响供电的可靠性。MCB 的选择性可分两个区域，一个是过载区的选择性，另一个是短路区的选择性。如图1所示，

MCB的热脱扣器的电流—时间特性是一个反时限曲线，曲线中 t1'、t2' 分别代表QLl 、Q12的最长不开断时间，t1" 、t2" 分别代表QLl 、Q12的最长开断时间。对于某一电流，如果断路器QL1的t1’与Q12的 t2"构成的关系是tl" ＞t2" ，说明过载区有选择性。通过实践证明，一般MCB 在过载区若I1／I>2，即能在过载区有选择性。当短路电流流过电磁脱扣系统时，MCB 上下间要获得选择性是很困难的，为了防止越级脱扣，一般应使QLl 的瞬时脱扣电流

Im1与Q12的瞬时脱扣电流Im2之比大于1．4。当短路电流大于7ml 时，要想只有Q12开断，应选限流型断路器作为Q12，这样可以减少电流的峰值及持续时间，使QLl 免于断开，当然也可选用具有延时的断路器作为QLl 。当短路电流很大时，是很难保证有选择性的，只能获得部分选择性。制造厂商为了方便设计人员选用合适的MCB 以确保选择性，在设计参考资料中都有向用户推荐的匹配表，设计人员可以根据匹配表选用上下级的MCB 。 McB的附件选用

MCB有一些电气辅助装置和保护附件能与MCB 本体拼装组合在一起，扩展使用范围，其中最主要的是剩余电流动作保护器(简称RCD) 、分励脱扣器(简称ST) 、欠压脱扣器(简称UR) 。RCD 与MCB 组合在一起就能成为带过电流保护的剩余电流动作断路器(简称RCBO) ，安装在配电箱内能防止线路发生单相接地故障时危及人身安全和有效抑制电气火灾。关于RCD 的工作原理，本文不作赘述，在此特别提出六点注意事项。

1．该RCBO 使用于何种低压配电接地型式中不能有半点含糊，因为用于TT 、TN 、IT 的系统中的接线要求都有不同，详见《电世界》1996年“剩余电流保护器讲座”等有关文章。但不管如何干变万化，凡是带电载流导体(个性线也是载流导体) 必须全部接入RCD ，而保护线PE 则绝对不能接入RCD ，PE 线应与设备的金属外壳连接。笔者认为：为避免许多不必要的误脱扣，RCBO 的极数宜与该接入回路的载流导体数相等。

2．RCD 的额定脱扣电流入数值应根据 JGJ／T16—92《民用建筑电气设计规范》第14．3．11条进行选择。从安全的角度考虑，RCD 的入选择得越小越好，但实际上，任何供电回路的用电设备都有正常的泄漏电流，如果RCD 的比小于正常的泄漏电流或者该回路的正常泄漏电流大于50％In, 则供电回路无法正常运行，故从供电的可靠性来考虑，In 选择得不能太小，它主要受到正常泄漏电流的制约。

3．RCD 的上下级配合问题。一般来说，RCD 的额定剩余不动作电流In0(根据IEC 有关的标准) 等于In 的50%。如果干线和支线上的RCD 动作电流值很接近，就有可能使几个支线的不动作电流 In0之和大于干线上的RCD 的In ，使干线上的 RCD误动，两者之间就失去了选择性。通常，上下两级RCD 额定动作电流之比应大于2．5，当然，RCD 的选择性也可根据动作时间的差异来达到。一般对终端配电箱来说电源总断路器处的RCD 主要为防止电气火灾，可选用In ＝100—300mA 、时间t ＝0．3s 左右的产品，如梅兰日兰的vigiS 型产品。支线上的RCD 主要为防止人身电击，可选用In ＝6—30mA(视具体使用场合) 、瞬动型产品，如梅兰日兰vigi 型产品。

4．对于TT 系统，装有RCD 的支路与不装RCD 的支路不应使用公共接地极。TT 制接地系统因中性点接地与凹线接地分开，个性线N 与PE 线无连接，供电线路一般较长，相—地回路阻抗较大，发生单相接地故障时，线路保护装置不能可靠地切断电源，容易造成电击和火灾事故，因此这种系统中装设RCD 作单相接地保护是有效的措施之一。但个别装RCD 的分支回路必须有单独的接地极与PE 线，否则当未装RCD 的回路发生漏电时，会通过PE 线傅u 装有RcD 的设备外壳上，但RCD 不动作；而造成电击事故。因此，必须有独立的接地板与PE 线专供有RCD 的分支回路用，它们之间不能有电气连接。

5．目前在我国生产的RCD 有两种形式，一种为电磁式(ELM)，另一种为电子式(ELE)。对于ELE ，笔者认为要慎用，ELE 在工作时要有一稳定的操作电压。现市场上的一般EIE 均无独立的操作电源，该操作电源均由 RCD所控制的电源供电，而在发生故障时，往往电网电压偏低或过高，导致ELE 不能正常工作。因此，设计人员应对装设ELE 的RCD 处发生事故时的电源电压进行验算，如果不符合产品的规定值，应考虑采取补救措施或选用 ELM的RCD 。 ELM 的RCD 进出线可以倒装，而ELE 的 RCD进出线不可倒装。

6．对于一些特殊场合和一些特殊用途的电源，如化工、石油、各类保安电源、事故照明、消防设备电源、医院手术室供抢救用电源等，不应安装RCD ，若有必要可酌情安装剩余电流报警装置。着重提一下，RCD 不是防止电击事故的唯一措施，只是措施之一，某些场合还应当与总等电位或局部等电位联结等其它措施相结合使用。

MCB的附件UR 是当电源电压下降到70％以下时，使MCB 脱扣；当电源末恢复正常时，防止MCB 重新接通。既可防止一些电气设备在低电压下运行而损坏设备，也可防止电源突然恢复正常时，线路上的电动机等大容量负荷在没有接到控制信号下自行起动，从而提高了线路的安全性。但对于一些特殊要求的场合和一般照明回路则不宜安装UR 装置。分励脱扣装置ST 是一种能远距离控制MCB 脱扣的装置。

上述两种脱扣装置都是电压型线圈，都能使MCB 达到脱扣的目的，但两者是有区别的。 UR 是按长时间通电设计的，而ST 是按瞬间通电设计的，这一点往往在选用时被疏忽，误把ST 当作UR 使用，导致ST 的烧毁。如果UR 当作ST 使用，理论上是可行的，但实际上是不经济的。因为 UR是24h 接入线路中的，终究要消耗一定的电功率，并且发出一定的热量。如果要使UR 兼有失压和分励脱扣作用，则在控制回路中应接人一常闭按钮，如图2所示，这点请务必注意。