本科毕业设计论文12kv户外箱式环网柜的设计.docx
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本科毕业设计论文12kv户外箱式环网柜的设计
12KV户外箱式环网柜的设计摘要
目前，户外箱式环网柜正朝着高安全性，低成本，维修方便的方向发展，近年来出现的新型户外箱式环网柜就是其中的一个。
在户外箱式环网柜的总体设计、生产制造和实际运用方面,现在我们国家的水平和外国的先进水平还是有着巨大的差距,我国在规划生产制造户外箱式环网柜的方面还是存在着很多的问题和缺陷。
本文针对于12KV户外箱式环网柜进行设计。
首先，对户外箱式环网柜做出简单的论述，分析了该功率户外箱式环网柜的方案布局及工作原理，然后根据这些设计准则按照给定参数要求进行选型，并对所选择的户外箱式环网柜各主要组成部件进行选型。
本次设计是对12KV户外箱式环网柜的优化设计，把传统的12KV户外箱式环网柜进行了结构上的优点进行改进继承，从而让这些种类的12KV户外箱式环网柜的应用场合更加广阔和灵便，而且对此种柜型的选择定型有对比参考的意义。
关键词户外箱式环网柜；钣金箱体；断路器
Design of 12KV Outdoor Box Type Ring Network Cabinet
Abstract
Currently,OutdoorRingMainUnitsismovinginhighsecurity,lowcost,easymaintenancedirection,inrecentyearsnewoutdoorringnetworkcabinetboxisoneofthem.InOutdoorRingMainUnitsoftheoveralldesign,manufacturingandpracticalapplication,itisnowthelevelofforeignadvancedlevelinourcountryisstillahugegapbetweenourcountryintermsofplanningandmanufacturingofoutdoorbox-typeRMUstillexistalotofproblemsanddefects.
Thispaperisdesignedto12KVOutdoorRingMainUnits.Firstly,OutdoorRingMainUnitsmadesimpleexposition,analysisofthepowerofoutdoorbox-typeRMUprogramlayoutandworkingprinciple,andbasedonthesedesignguidelinesinaccordancewiththegivenparametersrequiredselection,andselectedtheoutdoorringmainUnitsofeachmajorcomponentpartsselection.Thisdesignistooptimizethedesignof12KVOutdoorRingMainUnit,thetraditional12KVOutdoorRingMainUnitsweretheadvantagesofstructuralimprovementsinheritance,allowing12KVOutdoorRingMainUnitsoftheapplicationofthesetypesofoccasionbroaderandflexible,butalsoforthechoiceofthistypecabinetstylingcontrastingreferencesignificance.
KeywordsOutdoorRingMainUnits,sheetmetalbox,circuitbreaker
摘要
Abstract
绪论
研究目的和意义
随着国际标准化（ISO）的实施，世界户外箱式环网柜以采用新材料、新技术、新工艺、新结构为基础,19世纪80年代，美国一家专业生产户外箱式环网柜的公司将新开发的户外箱式环网柜应用到欧美市场，经过几年的运行，为该公司创造了不菲的利润。
继美国的这家生产户外箱式环网柜的公司之后，日本的古来森公司也看到了户外箱式环网柜的利润所在，投入了相当大的人力和精力来开发研制户外箱式环网柜，并且与二十世纪中期投入到了北美等市场[1]。
当前，全世界各大机械人厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行户外箱式环网柜的研发工作。
现在国外等著名户外箱式环网柜的品牌中，都有户外箱式环网柜的销售，全世界户外箱式环网柜的应用越来越广泛。
需要进行关注的一点是，环网柜的前景市场已经不再只是在欧洲和日本，市场已经发展到了北美洲大陆，因此户外箱式环网柜是当今棒料生产加工企业比配的设备已经成为主要趋势。
西方资本主义国家有巨大的户外箱式环网柜销售市场，机械人工业是西方资本主义国家的机械工业之一[2]。
在研究机械发展的方面是不断随着时代的进步而发展的，所以具备相关的专业基础知识是必须要有的。
但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。
封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。
因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。
现在的趋势是大家对理论基础愈来愈看重，并且对专业领域的发展和合并相关分化的专业也更加重视。
机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品[3]。
在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。
户外箱式环网柜自从上世纪九十年代开始就陆续地被应用在电力方面，但传统的户外箱式环网柜由于安全系数不高，维修困难，有好多工厂仍然采用传统的环网柜，而以往传统的户外箱式环网柜的安全系数比较低，容易引发事故，所以此次设计的户外箱式环网柜，在传统的户外箱式环网柜的基础上进行改进创新，应用合理的结构，从而来克服以往的户外箱式环网柜所不能克服的问题，对后续的户外箱式环网柜的设计制造有一定的参考意义和价值[4]。
在现代社会中，电是我们生产和生活中，不可或缺的能源，现代人几乎无法想象没有电的生活是什么样的情形。
而无论是家庭用电还是工业用电，都离不开电气设备的作用。
电气设备保证了我们正常的生产和生活。
而环网柜就是其中非常重要的一环[5]。
环网柜（RingMainUnit）实质上就是在金属做成的柜子中或者其他不导电的材质做成的柜子中，把分配和输送电力的电气设施装备（高电压开启关闭装置）放在柜子里或者柜子中的分段隔间里，里边的起作用的部件就是熔断器和负荷开关装置，它的优点是价格便宜、设施简单、大小适中、并能使供电安全性提高以及供电电压范围也得到提高[6]。
所以在城市中的居民社区、摩天大楼、大规模的公共建筑、工业区等电力需求很大的使用中心地区的变压电站配送电场所中。
这种柜型已经得到了大规模的使用，虽然环网柜研发出的时间很短，这其中的原因在于，从输送电力的方面来看，大部分的输配电力的变压器以中、小型的为主要类型，且大部分不会大于1250KVA，近些年崛起的工厂厂区和公共事业部门的建筑物就适合于这方面，在用电时并不会时常区开关高压开关，一般都是平稳长时间的进行送电。
所以说对于这些用电场所来说，环网柜的性能并不是完全没有缺点，但是绝对可以保证正常的使用。
而且因为经济环境的发展城市也在进行大范围的建设，很多超级建筑物会不断出现在城市中，而输送电源的设施大部分就建在楼下，因为防火消防的硬性需求，输电设备要做到“无油化”，由于建筑面积的使用要做到最大利用，所以输送电装置设施要做到“小型化”，所以各种环网柜或实现真空化的电路断路器，实现“无油化”变压器、互感器就应用于各种高层建筑中[7]。
环网柜相比于主要安装断路器的开关柜来讲更具有优势，在使用中更加安全可靠，故障率低维修简单，框架结构更简洁，而且使用费用低廉。
环网柜的出现使负荷开关有了新的要求，这样在需求的影响下新型的性能指标更好但体积却缩小的负荷开关就被研发出来，这样又使得环网柜又取得了新的发展进步，当下新型的环网柜不仅性能更加完善而且发展出更多新的功用的系列，这就更加加大了使用环网柜的场合和应用范围。
所以为了方便用电，环网柜得到了越来越多的应用，也提高了用电的安全和稳定性，它代表了未来用电设备的发展趋势，同时也得到了越来越多的应用和推广。
户外箱式环网柜国内外研究现状
当前国际社会，将SF6气体应用于环网柜使其作为发挥绝缘作用或者主要绝缘作用由其承担的应用，不管是国内或国外都得到了大范围的使用，因为SF6气体的绝缘性能良好且不易分解，化学特征表现为惰性。
不过SF6气体却是造成全球气温变暖的温室效应气体中的一类，如果释放到大气中会对生态环境造成很大的危害，造成气温上升的后果。
随着环保观念深入人心，而我国是《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》两项公约的签订了协议的国家。
国家电网公司在2011年8月发布的《国家电网第一批重点推广新技项目》中，在其中的“十二五”规划中把发展新型无SF6气体采用固体介质作为绝缘物质的12KV固体柜列入其中，其中写到到2015年新建造的或者改造的工程中固体柜要达到25%以上[8]。
而随着经济的发展，工业产值迅猛提高，这就对供电系统提出了更高的要求，固体柜因其对环境友好性好，操作安全可靠，不会占据过大的土地面积且易维修的优点就成为了新的风尚。
在上世纪的六十年代户外箱式环网柜的生产方法就已经出现在国外的公司中，而到了七十年代其技术就已经发展完善很全面了，八十年代中期，泰国金衫公司的户外箱式环网柜的完全系数非常高。
八十年代中期后的一、两年，户外箱式环网柜的发展到了鼎盛时期，从而诞生了世界上一些著名的户外箱式环网柜厂家，1987年，日本最大的户外箱式环网柜生产公司把户外箱式环网柜投放市场，获得成功。
美洲的BDJE公司也将新开发的户外箱式环网柜投入亚洲市场取得了巨大的成功[9]。
从1965年户外箱式环网柜被发明出以来，又经过了二百多年的发展和完善，在全球的各个地区的电力行业都得到了大规模的应用。
有着鲜明特征的工业界第三次巨大革命把新型材料和全新的生产技术带到了生产中来，这促进了户外箱式环网柜发展到了一个全新的水平。
随着时代的发展，户外箱式环网柜在国外将会得到越来越广泛的应用和发展[10]。
现阶段在中国和其他国家比较普遍的户外箱式环网柜有以下几种，其中具有代表性的产品如图1-1六单元环网柜、图1-2三单元环网柜所示。
图1-1六单元环网柜
图1-2三单元环网柜
同时本次设计的主要技术参数参考资料，如表1-1所示。
表1-1环网柜的技术参数
序号
名称
单位
数值
1
额定电压
kv
12
2
额定电流
A
630
3
额定频率
HZ
50
4
标称短时间内可承受工作电压
kV
42
5
额定雷电冲击耐受电压（峰值）
kV
75
6
标称短时间内可承受工作电压（断口）
真空
kV
42
隔离
48
7
标称短时间内可承受工作电压（断口）
真空
kV
75
隔离
85
8
额定短路开断电流
kA
20
9
标称短时间开关电流（峰值）
kA
50
10
额定短路耐受电流持续时间
S
4
11
额定短路耐受电流
kA
20
12
额定峰值耐受电流
kA
50
13
标称操作的先后
——
分-0.3S-合分-180S-合分
14
标称发生短路开关次数
次
30
15
机械寿命
次
10000
本课题研究的主要内容
对于户外箱式环网柜的设计，首先从方案的总体拟定开始的，而后再开始进行详细的各部分结构的构想与设计，各部分的具体构想与设计大体上是由下面几个方面来进行的：
1.到图书馆里查阅大量相关知识的资料，搜集出各类户外箱式环网柜的原理及结构，挑选相关内容记录并学习；
2.调查整理户外箱式环网柜的框架结构和指标数据；
3.确定设计总体方案；
4.确定具体设计方案；
5.将户外箱式环网柜的装配图和各部分零件图进行绘图制作；
6.说明书的整理。
环网柜的主要使用问题输送电能要进行解决，这就要借助于CAD和Pro/E等绘图软件来把钣金件的外部设计完成，以及内部框架及气箱机构等的设计，部分应用市场提供的成品，简化设计过程。
需要解决的问题包括：
1.建立完善的机械结构，使其能完成要求的所有动作，并有良好的可维护性；
2.使系统具有较高稳定性；
3.使系统的操作安全和使用可靠程度得到提高。
本章小结
本章的主要内容是概述了户外箱式环网柜的功能功用和发展轨迹以及将来主要的发展脉络方向等。
客观介绍了，环网柜的发展方向及历程。
以及介绍了几种环网柜类型，确定了设计方案。
户外箱式环网柜总体结构的设计
户外箱式环网柜主要功能
智能装置提供RS485或其他通讯接口,可与外接RTU可靠通讯.提供后备电源,保证交流失电24小时内正常工作.实现"三遥"功能,具体要求是:
遥信:
包括各进,出线开关位置,交流失压,SF6气体气压低,电池电压低等;遥测:
包括各进,出线三相电流和三相电压等;遥控:
环网柜自带智能装置应提供I/O扩展接口和通讯接口,受外接RTU控制,完成各路开关合,分闸操作[11]。
户外箱式环网柜结构设计
本次设计的12KV户外箱式环网柜组成主要有钣金箱体、SF6负荷开关,套管线缆接头,电缆配套零件,带电指示器,短路指示器等，如图2-1即为该户外箱式环网柜的结构简图。
图2-1钣金外围的四视图结构简图
除去钣金框架之外，该户外箱式环网柜，还需要：
指示灯、急停开关、控制器、流量表、压力表、上箱体、电器安装柜、侧板、门板、顶板等物料，如表2-1所示。
表2-1配件物料表
序号
名称
数量
材料
1
顶板
1
0235A/焊接件
2
门
2
0235A/焊接件
3
门锁
2
0235A/焊接件
4
侧板
2
0235A/焊接件
5
电器安装柜
1
0235A/焊接件
6
上箱体
1
0235A/焊接件
7
压力表
6
——
8
流量表
6
——
9
控制器
3
——
10
急停开关
3
——
11
指示灯
27
——
户外箱式环网柜要参数
户外箱式环网柜的主要参数有，如表2-2所示。
项目
单位
参数
额定电压
kV
12
额定电流
A
630
频率
Hz
50
额定短路关合电流
kA
63
额定热稳定电流
kA
25
额定热稳定时间
s
2
额定动稳定电流
kA
63
雷电冲击耐压、相对地
kV
75
断口
kV
110
1min工频耐压、相对地
kV
42
断口
kV
48
电缆截面范围
mm2
50～300
外壳防护等级
不低于IP33
表2-2环网柜的参数表
本次设计的12kV户外箱式环网柜,它的技术要求除了要遵循国家主要标准外，还得满足额外的技术要求。
电缆附件技术参数：
能耐受105kV的电压冲击,正负两种极性都要达到10次，不能被击穿，不出现闪电。
耐受直流电压52kV（负极性）,15min,不能被击穿，不出现闪电。
局部放电15kV下放电量≤10pc。
户外箱式环网柜主要特点
户外箱式环网柜应具备以下基本特点:
1.采用ABBSafe模块,免维护设计。
2.用于野外，不导电，完全封闭构型，可徒手操作，安全且可靠，不用维修，占地面积小，轻巧紧凑，容易安装，容易上手操作对于多数环境都可以安全运行，而且不进水，没有水雾,SF6气室防护等级IP67[12]。
3.体积小,便于安装和操作。
4.喷涂烤漆的工艺和程序要与国际标准相符合，实现防止锈蚀的能。
5.采用没有气味、没有伤害性且不导电的SF6气体作为其中放导电的物质,铜排母线,连接机构,各个开关,完全放置于SF6气体包裹中,真正实现户外型,全绝缘,全密封结构.SF6气体每年的泄漏量不会超过其总量的千分之0.25,箱体上安装有计量气体压力的压力表和出现气压过低的报警设施,气体的压力可以随时进行计量观察，可以经过RTU远程传输到控制枢纽。
6.线缆接头使用完全不导电的能直接用手触摸的电缆头，实现了接线的安全和方便。
7.环网柜要必须有十分可靠的防止错误使用的能力。
8.能够实现配网自动化。
9.箱体材料为电镀铝锌的钢制面板，在提升，搬运和装配是不能出现大的形状变化或者破碎毁伤。
10.外壳颜色:
军绿色,并与周围环境相协调。
11.仓门打开要超过九十度，而且能把仓门固定在一定位置。
仓门要具有密闭的功能不能存在缝隙，具有开关用的把手，门栓和不会生锈，锁眼不能封堵的锁具。
12.箱体要具备用于通风降温的通风渠道和隔离热源的设施，从而使在普遍情况下进行使用过程中,全部的电气设备的最大问对都不会超过所允许的最大值。
13.箱体必须具有完善的封闭自身的功能，防止野生动物进入柜体中和防止漏雨进水的功能设施。
14.箱门内部表面要画出主要电路图的接线回路图,并且明确写出使用的方法和要小心操作的事项。
在容易看到位置来安装设置信号灯及仪表，这样能容易观察仪表的数据和方便更换故障的零件仪表。
安装电缆的仓室要容易安装人员进行调试安装和维护。
本章小结
本章介绍了环网柜的特点和参数，重点介绍了环网柜的功能和操作方式，和主要参数的拟定。
包括户外箱式环网柜的特点和主要功能，其中遥信，遥测，遥控功能的介绍。
各主要零部件设计及主要配套附件选型
钣金箱体的设计
环网柜的主要使用问题是输送电能要进行解决，这就要借助于CAD和Pro/E等绘图软件来把钣金件的外部设计完成，以及内部框架及气箱机构等的设计，本次设计的钣金框架如下图3-1所示。
图3-1钣金箱体
断路器的选型
断路器能把发生故障的线路进行安全切开分断的功用就是其所具备的分离断路能力，可以将其划分成最大分断性能Icu和一般使用分断能力Ics目前可以实现Icu=Ics即100%，以前是Ics小于Icu通俗的进行解说就是断路器可以安全分离断路的最大的断路电流，但是如果短路电流超过了断路器的最大能力范围那么断路器就失去了自身具备的能力，会发生伤亡等不可设想的恶果。
分断能力计算的方式就是（变压器的容量/电压）/变压器出口到断路器上口部分的电阻，这样计算到数值就是其发生短路是的电流大小，断路器的分断能力就是要比这个数值大，从而使得额定短路分断能力比Icn大：
在常规情况里，断路器必须能在最大的短路电流是安全可靠地将其断开能。
额定极限短路分断能力Icu：
在常规的使用中和性能条件下，开关在在关闭的情况下能够承受的标称短时间的冲击电流第一个峰值的电流。
额定运行短路分断能力Ics：
在标称电压以及通常使用和性能条件下，开关可以安全的通过最大的短路电流的最大值能[12]。
额定短时耐受电流Icw：
在通常使用和性能条件下，在一段可以保证的短时间中，开关在关闭情况下所能承载的标称的电流的实际值。
塑壳断路器选型与其分离短路电流的性能，要和电路发生短路时位置的短路电流大小有关，安装断路器的位置必须是短路电流的最大值要小于断路器的分离断路能力，与所带负荷的大小关系不大。
计算安装位置的短路电流的数值（KA），然后选择断路器；如果不会计算，断路器要安装在电力容量大的位置比如说发电厂等地方，可以选择50KA，这样会安全一些。
如果在通常情况下，选用25-35KA也可以了。
分断能力的大小和短路保护能力的数值大小并不是完全相同的一个定义，两者是不同的定义值。
图3-2断路器
分断能力是指这个断路器可以安全断开电路的最大电流。
超过此电流断路器可能发生爆炸、触头熔接而无法断开电路等现象，一般远高于短路动作值。
一般断路器来一下分断电流就报废了。
具体来讲断路器短路动作值要与它的型号类别来定。
一般远小于10000A。
通常在进行分断试验时,分断能力在60KA的断路器,会在其电流提高10-20KA时会进行工作。
通常工作时间在10ms之内（但不是一定的确定值）正常发生短路时,各种类型的断路器的工作时间一般都不是相同的，一般情况下不会超过20-30ms。
如果电流提高到了53KA，通常60KA的断路器是不能正常工作的，这就造成了断路器的毁损。
另外在特殊情景下断路器还要具有防备雷击的能力，但是雷击都是瞬间完成的，所以段落器可能并不会进行工作。
但这种情形下可能会对产品的自身造成损坏。
框架电流是选择断路器时重要的指标参考，它是说断路器的主要的外接出头能承受的最大的标称电流。
又称为标称连续电流在置顶条件下，电气设备在稳定长时间工作下，内部各组件的温度上升值不会大于规定最大情形下的电流值[13]。
“框架电流”与“额定电流”不同。
断路器框架电流：
断路器可以承受的最大电流。
断路器额定电流：
断路器在工作电流下是不会发生动作的。
如断路器CM1-100，额定电流有（10），16，25，32，40，50，63，80，100，但其框架电流都为100。
阐述整定电流是继电保护中的非常专业的工作术语。
就是通俗讲，整定值其实是认为给出的，意为继电保护是否跳闸时与实际电流来进行比较的标准值，根据电路、电网的承载能力大小计算出的数值，断路器产品图片如图3-2所示。
断路器操作机构的技术参数，如表3-1所示。
序号
名称
单位
数据
1
额定操作电压
V
AC220,AC100，DC220，DC110，DC48，DC24
2
储能电机功率
M
40
3
储能电机额定电压
V
AC220，AC100,DC220，DC110，DC48，DC24
4
过流脱扣线圈电流
A
5
表3-1断路器操作机构的技术参数
电流表的选型
电流比数表需要和电流表互感器进行配套使用，那么其测量值就可以变为300、400、600（A）。
那么怎样进行交流电流表和电压表的选型，主要从一下的两个具体要求方面来讲解。
1TI-A型电流表（直通）15、30、75、150、250、300、450、500、600V等规格。
电压表比数表需要和电压互感器进行配套使用，那么其测量的数值就可以达到6000、10000、110000V以上。
这样选择是不行。
但是电磁式仪表的数值刻度不是均分而成的，所以要获得尽量精确的测量值，就要把测量值得区间定位到整个表盘的前2/3位置才最精确。
在选择仪表时还要注意了解有关仪表的误差和准确度的含义。
一般吧仪表由于本身结构的不完善，元件间的摩擦及外磁场的影响，或者安装不当和测量方法上的缺点，导致测量结果与实际值之间的查表叫做仪表的误差。
电流表产品图片如图3-3所示。
图3-3电流表
电压表的选型
电压表的功用是来测量整个要检测电路中的电压的数值，是将其并联到这个被检测电路的回路中的。
按照其测量回路中电压的类型不同可以分为三种直流电压表、交流电压表和交直两用电压表。
而按照测量数值大小又可以分成毫伏表、伏特表。
按照工作原理又可以分为磁电式、电磁式和电动式等。
电压表的选型使用与前文中电流表的方式方法基本相同，主要从被测量电路、要求的测量数值大小、精度高低和仪器的售价是否合理等来统筹
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