低压直流配电柜结构通用性设计

王金波

【摘 要】本文主要介绍了低压直流配电柜的功能和工作原理，同时对总体结构、铜排导流性能和其中关键参数的设计进行了分析

【关键词】配电柜；爬电距离；空气间隙；绝缘电阻；耐电压

0 引言

随着通信行业基础设施的广泛建设，通信行业市场管理逐渐趋于正规化，在现有的竞标模式下，如何能在竞争激烈的通信市场中占据一席之地，成了各个供应商首要关注的问题。针对这个问题本文重点对通信机房中的直流配电柜进行结构优化设计，在满足行业标准要求功能的前提下，提高了直流配电柜结构的通用性，使产品的标准化生产成为了可能。

1 总体方案设计

1.1 设计方案分析

低压直流配电柜主要应用于通信局站传输设备机房内机列的端首，为本列通信设备进行直流电源分配和故障告警，其结构在满足行业标准要求性能指标的前提下要满足以下要求：

（1）配电柜组装零部件要具有高度互换性，减少生产物料种类；

（2）单元结构的配置灵活可靠，要满足不同容量单元的安装；

（3）铜排的选取要满足配电柜载流量的要求；

（4）耐电压水平：带电回路两导体之间及任一导体与机壳（或地）之间的耐电压水平不小于1000V（DC），1min不击穿、无飞弧；

（5）绝缘电阻：各带电回路与地之间的绝缘电阻应不小于10MΩ，试验电压为500V（DC）；

1.2 总体布局设计

通常一台低压直流配电柜由柜体、内部安装件、铜排、断路器以及告警单元五部分构成。那么本次结构标准化设计的内容就包含柜体设计、内部安装件设计、铜排设计这三部分，现以相同高度600mm宽的直流配电柜为例进行设计。

1.2.1 柜体设计

常见配电柜的柜体有焊接式和拼装式两种，本次设计的重点在于提高配电柜结构的通用性，减少零件管理的成本，因此按照拼裝式机柜结构进行考虑。

既然两种尺寸的拼装柜体仅在深度方向上不同，那么我们可以考虑将不涉及深度尺寸的角部立柱、门板和上下包板作为一种标准化的零件进行大批量的生产、备货，所有的拼装式机柜角部立柱、门板和上下包板都一样，这样每次只需要加工上下盖板、侧条和侧盖板这三种关系到机柜深度的零件就可以完成一台电源柜体的组装。

1.2.2 内部安装件设计

要提高直流配电柜的通用性，那配电柜内部的安装尺寸、结构形式和装配方式必须统一。该类电源的内部结构形式统一按照中间安装熔丝或空开、两侧进行走线的结构进行设计，中间熔丝和空开的安装尺寸都按照300mm宽度进行设计，那么两侧的走线宽度也就确定了。

在这里最重要的就是安装板的设计，以往配电柜中不管多少分路都设计一块分路安装板，那在实际的生产中我们就不得不面对这样一个问题，对于不同分路的配电柜我们都必须重新设计它的分路安装板，如果客户对分路进行了调整那我们已经加工的分路安装板就只能报废处理。现在通过标准化设计我们将分路安装板做成标准20mm宽的窄板，在客户选用不同分路时，我们选用不同数量的标准窄板再配合DZ47型材导轨，就能满足客户的需求，安装也比较方便。

1.2.3 铜排设计

铜排的设计所遵循的首要原则就是必须满足载流量。从实际使用的情况来看，机房内单台配电柜的电流总输入可以划分为两部分，一个是400A以下，另一个400A～630A。按照常用单层铜排载流量计算方法：

40℃时铜排载流量=排宽*厚度系数

厚度系数：母排12mm厚时为20；10mm厚时为18；8mm厚时为16；6mm厚时为14；5mm厚时为13；4mm厚时为12，；3mm厚时为11。

额定载流量为400A时，若选用3mm厚铜排，应选用36.4mm以上宽度的铜排；额定载流量为630A时，若选用3mm厚铜排，应选用57.3mm以上宽度铜排，若选用6mm厚铜排，应选用45mm以上宽度铜排。

配电柜总输入熔丝处的接入导电体考虑到连接铜鼻子的接触面积，现将接入导电体和连接导电体的铜排都选用60mm宽、3mm厚的铜排，这样在保证载流量的前提下减少了铜排的用料，而且统一了结构。但对于分路的单元导电体，当总输入630A的电流时若选用3mm的铜排，铜排宽度将近60mm宽，受配电柜内部安装尺寸限制将无法安装，因此选用6mm厚、45mm宽的铜排作为总输入630A时的单元导电体就能满足要求。当总输入400A的电流时，我们就可以选用3mm厚、45mm宽的铜排作为单元导电体，这样就能在保证内部安装尺寸的同时满足不同安数的电流总输入了。

2 关键参数设计

作为一台配电设备，在进行结构设计时首先要考虑到它的绝缘强度和电气间隙。以下从配电柜的电气间隙和绝缘强度等方面进行设计。配电柜中需要考虑绝缘强度和电气间隙的是整个带电回路，在设计中也就是考虑铜排与柜体之间的绝缘强度和电气间隙。

2.1 爬电距离和电气间隙

铜排与柜体间连接最近的地方就是分路的单元导电体通过尼龙垫柱与分路安装板进行固定的地方。目前市面上的断路器包括施奈德、正泰等品牌规格尺寸都是一致的，断路器安装孔底面距离安装板23mm，因此单元导电体与分路安装板之间的垫柱高度为23mm。通过查行业标准YDT 939-2014《传输设备用电源分配列柜》得知绝缘电压≤60V、额定电流>63A时的爬电距离4mm、电气间隙3mm。单元导电体与分路安装板之间的尼龙垫柱用2个M5X10的盘头螺钉固定，那么两个螺钉之间最短距离为9mm，无论爬电距离或电气间隙都满足。

2.2 绝缘电阻和绝缘强度

现在我们得知带电回路与柜体之间的最接近处是空气绝缘，且最小间距是9mm，根据均匀电场下绝缘电阻与绝缘厚度成正比，与导体面积成反比，即

取δ=9mm，A=19.625 mm2，经查资料得知，在20℃时，空气的电阻系数ρV=3×1010Ω·mm，计算可得RV≈1.376×1010Ω，绝缘电阻均远大于标准要求。

按冲击强度计算绝缘厚度公式为：

由（2）可知，绝缘厚度只与冲击电压有关，查资料得知空气的长期工频击穿强度为2KV/mm，将冲击电压UBIL=1000V，Eav=2KV/mm，代入（2）式得t=0.78mm，远小于设计的9mm。

再用实验的方法进行验证，首先确认直流配电柜不与输入电源和任何负载连接，使用500V直流档绝缘电阻测试仪在常温环境下测量单元导体与地排之间的绝缘电阻，测量值≥500ΜΩ，远大于行业标准；同时使用耐压测试仪在单元导体与柜体之间以及单元导体与地排之间施加50Hz、1000V直流电压1min，实验结果无击穿和飞弧现象。

综合以上分析和试验结果可知，直流配电柜的绝缘电阻和耐电压水平均满足行业标准要求。

3 小结

低压直流配电柜结构通用性设计旨在提高生产单位的库存管理效率并降低生产成本。通过结构的标准统一，可以大大减少零部件的种类，减少了库房管理的压力，同时有利于标准零部件的批量生产，从而有效的降低企业的生产成本。其实不止是配电柜，对于其他任何产品来说统一的结构类型可以大大的方便企业的规模化生产，这也是现代化生产的一种趋势。

【参考文献】

[1]廖运发，等编.中华人民共和国通信行业标准YD/T 939-2014《传输设备用电源分配列柜》，中华人民共和国工业和信息化部发布，2014年.

[2]吴京文，等编.中华人民共和国国家标准YD/T585-2010《通信用配电设备》 中华人民共和国工业和信息化部发布，2012年.

[3]邱宣怀主编.《机械设计》，高等教育出版社，1989年.

[责任编辑：朱丽娜]