一种新型美标开关柜

欧洲和亚洲等市场上可用的中压开关柜是根据国际电工委员会（IEC）标准建造的。然而，这些开关柜都是后部电缆连接，因此很难安装和维修此类设备。此外这种开关设备采用了安装在后部的“环氧支柱型”电流互感器，如果出现故障，使其无法在现场进行更换。根据IEC标准，隔间之间不需要设置完全屏蔽，因此通过隔室间通风，断路器的冷却要容易得多。

电气与电子工程师协会（IEEE）和美国国家标准适用于北美市场的中压金属铠装开关设备需要满足严格的要求，根据这些标准（UL测试是为了满足这一标准），断路器在开关设备内部进行测试，降温非常有限，因此限制温升成为一个主要挑战。如果不进行任何更改以充分对断路器降温，为符合北美标准，采用IEC设计的开关柜不得不大幅降低额容使用。此外，IEEE/ANSI设计的设备要求母线绝缘，这使得更难对使用断路器的开关设备的某些隔间中的临界载流母线降温。或者，必须采用昂贵的散热器来限制温度上升。在紧凑的空间中，增加散热器是一项艰巨的任务，并对通过所需的雷电冲击耐受电压提出了重大挑战。散热器的形状可能对空间限制构成威胁，因为散热器的尖锐边缘将需要大的电气间距和爬电距离。紧凑型开关设备还限制了相间和相间接地之间的空间，这对在95 kV下通过所需的雷电冲击测试提出了重大挑战。

真空断路器技术的最新进展提高了真空断路器的性能和可靠性。新型真空灭弧室采用了更好的接触材料，如铬铜，并使用轴向磁场（AMF）或径向磁场（RMF）场接触系统。此外，这些断路器是永磁驱动的（带有螺线管），包括存储操作能量的内置电容器和电子跳闸装置。与机械（弹簧）操作的断路器相比，这些断路器的移动部件更少，并且在增强的生命周期（酷刑）测试和世界各地的安装中被证明更加可靠。ABB VM1和Eaton VCP-TL就是这种永磁驱动断路器的例子。这些断路器设计用于在没有故障的情况下执行100000次操作，因为移动部件的数量要少得多。

这些断路器看起来几乎像低压断路器，如果满足ANSI/UL的设计挑战，15 kV金属铠装开关设备的占地面积将比处理同等功率的低压开关设备低约25%。这种中压开关设备的可靠性也会高得多。这样的产品将为关键任务数据中心、海事和其他应用节省大量空间。

在设计新型金属铠装开关设备时，考虑了以下参数：

• *完全柜前操作、安装、维修

• *目标尺寸：24英寸(609.6mm)宽x 60英寸(1524mm)

  深x 96英寸(2438mm)高

• *耐电弧，2A级

• *红外观察端口和观察窗口

• *前部可接近600V CT和前部连接电缆

• *抽出式断路器（永磁操作VM1）、PT和CPT

• *母线全绝缘

• *根据ANSI/IEEE标准UL和cUL列表（金属镀层和抗电弧）

紧凑的尺寸带来了巨大的设计挑战，以适应相互冲突的需求。例如，95 kV的雷电冲击测试需要更大的相间和相间间距，而紧凑的设计是不允许的。此外，在额定电流下提供足够的冷却需要更大的空间和更好的空气循环，这在紧凑的设计中是不可能的。开关设备必须满足电弧测试要求，这说明开关设备在电弧排出方面是有效的，这一事实增加了设计挑战。

根据经验，我们很清楚，广泛的模拟将是为这样一个多维优化问题找到合适解决方案的最佳方法。IEM对以下内容进行了广泛的数学分析：

（1）开关设备的热特性，以研究额定电流下的温升和热点；

（2）短路等故障条件下开关设备的电磁力分析；

（3）雷电冲击试验期间的介电分析；

（4）分析电弧和气体的传播，以及在电弧故障期间在各种开关设备隔间中产生的压力。

这种广泛模拟的好处使我们能够定义初始解决方案，然后用于构建用于测试的原型单元。如果没有广泛分析的好处，解决方案将需要通过试错进行广泛的测试，需要大量的样本和非常昂贵的测试成本。  

说明，该产品在满足IEEE C37.20.2标准要求的全绝缘母线、温升标准低10k、隔室间完全隔绝、内部电弧2A、材料表面处理等要求的情况下，摒弃美国传统36英寸宽双层断路器设计，24英寸紧凑型单层，具有柜前安装维护、永磁机构断路器、保留美标甜甜圈电流互感器触头盒安装、红外观察窗等设计。显然由于不符合美国传统开关柜设计，市场很难接受，但对于特殊用户，还有美国外需求，还是会有一定的市场。