账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
低压配电设备基础概论
 

【作者: Mark Rumpel】2017年11月14日 星期二

浏览人次:【7183】
  


依据家用住宅、商业与工业用户不同的用电需求,运用低压或中压受电设备(service equipment),单点控制或切断建筑物电力供应。低压配电设备的操作电压大多低於600伏特;反之,中压设备则可提供600 ~ 38,000伏特范围的各种电压。


本文将探讨低压配电设备相关基础概论的定义、零组件、应用与其他详细相关资讯,包含分电箱、配电盘、开关设备与电压低於600伏特的交流(AC)或直流(DC)开关装置。这些资讯可以帮助读者了解配电系统的用途与相关设备,并提升专业技术知识。


发电基本知识

和其他国家一样,美国长期倚赖煤矿、石油或天然气等宝贵的天然资源进行发电。直至二十世纪末,新型核能与水力发电的出现,发电能力始获得提升。时至今日,地热能、风力发电、生质能及太阳能等替代或再生燃料的运用已经日益普及,这些能源由於具备高效与永续的特性而受到大众欢迎。


自然资源与机械能源经采集後,必须先转换为电能才得以进行後续的传输与使用。发电厂则是运用汽轮机来达到产生电能的目的。


透过大型锅炉加热水後产生蒸汽,蒸汽带动涡轴发电机上的叶片组,利用蒸汽的力量,带动连接发电机的机轴,而转动的涡轮机机轴则进一步驱动发电机内部由巨大铜线线圈缠绕的电磁铁,如此一来即可形成磁场,使铜线中的电子穿梭於原子间,产生电力。


汽轮机发电後必须加压才能传输电力。透过升压变压器组将电压提升,以传输至高压输电线路所组成的电网,电力才能高效且安全地经高压输电线路长距离输送。



图1 : 发电与配电示意图:发电、输电、用电
图1 : 发电与配电示意图:发电、输电、用电

配电系统以经济实惠且安全的方式将电力配送至家用、商用建筑或工业设施等各项电气设备。电力首先传输至配电变电所,再透过降压变压器组将电压降至可用电压范围,最後电力会经由某一端点进入建筑物,此端点即用户进线端。电力经由配电盘里的主开关(即断路器或熔丝开关),也就是所谓的用户进线端配电设备进入。


分电箱、配电盘、开关设备均可作为用户进线端配电设备,在下游线路中端仅称作配电设备。不同设备对於多租户(multi-tenant)住宅、商用设施或工业场所各有其特殊的用途与优点,接下来将深入剖析各个设备。


分电箱

分电箱为分路配电的系统组件,内部的每条电路一般设有保护熔丝或断路器。配电盘除完整分配建筑物或工厂厂房电力外,实际上还能避免电气过载及短路。


分电箱主要组件一般包含外箱、内板、线路保护装置、标示、正面不带电面板与外缘,以及填隙板。


图2 : 屋主应熟悉配电盘基本组件
图2 : 屋主应熟悉配电盘基本组件

一般又称之为「分电箱」或「变电箱」,这类分电箱组件装配於外箱内部。分电箱外壳以镀锌或涂钢处理,确保人员与内部设备的安全。可拆式盘面可安装简易导线管,安装人员可依需求轻易地定位钻孔。


箱内的电流保护装置、汇流排及其他装置皆嵌装於支撑架,这些内部组合套件俗称内板。断路器通常作为线路保护装置,以汇流排连接器的??接零件连接汇流排。


汇流排是用来连接多条电路的导体。汇流排嵌於内部支架的绝缘?子,并固定在箱体内的侧螺柱。中性排线同样安装於内板旁的箱体或沟槽,以作为进线端与负载电路中性线的连接点。


分电箱应有清楚标示。标示须载明设备额定电压、安培容量、启断额定值、制造日期、配电盘固有零件与更新零件等资讯。这些资讯能确保人身与设备安全,非常重要。


外箱有前盖,即分电箱正面不带电面板及其外缘。该组件包含分电箱正面,开启铰链门即可操作断路器,并避免误触带电的内部组件。填隙板则可遮盖所有断路器以外尚未使用的孔洞。


美国国家电机制造业协会(NEMA)制定了电气设备外箱准则,NEMA第1型(Type 1)为室内分电箱外箱标准。


分电箱有两种安装方式。嵌入式安装法须将分电箱安装於墙体立柱间的内凹区域;挂装式则需将分电箱挂装於墙面。


嵌入式安装法节省空间且美观大方,挂装式则适合水泥墙、砖墙、铁墙及梁柱等表面。嵌入式安装一般常见於商办空间、校舍与其他公共建筑。工业用建筑物、电子橱柜与地下室等场所则多采用挂装式安装法。


分电箱用途广泛,种类繁多,常供照明、家电或作为电源之用。照明用与家电用分电箱含过电流保护,用於断开照明、家电、??座及其他小型负载电路。其他各类分电箱则作为电源,同时供电给建筑物或工厂内整体配电系统的其他分电箱、马达与变压器。


电力分电箱一般用於工业厂房与新建/改装的商用建筑,其配电系统相对复杂,需要系统级解决方案。分电箱广泛用於进屋设备或一般电路分配适用的各项应用。例如,多租户住宅所使用的设备通常会利用分电箱进行配电。愈来愈多电力分电箱经过特别设计,让各种应用的变动与扩充更加迅速便捷。


现今的新型电力分电箱已大幅缩小设备体积,以最节能的方式达到稳定功率效能。电力分电箱最大的优点在於能够在小空间内配置各种不同的交流电压,容纳更多断路器。断路器与熔丝开关均可采用单一螺丝加以固定。电力分电箱的种类多样,设备维护管理者可弹性地做电力配电保护协调,远端精密计画并监视用电状况,同时还能提供电弧与故障保护,确保人身安全。


配电盘

在大型建物或工厂内,大型单一盘体、框架或盘体之组合可用以安装过电流开关与保护装置、汇流排以及其他设备,此落地型自立式解决方案亦称为配电盘。配电盘通常靠墙安装於地面,可从正面接触操作。


配电盘功能与分电箱相同(一般可简易??电至其他分电箱),但体积较为庞大,配置 600 VAC 及以下的低压。配电盘可将大电流分解成小电流,供电器设备使用。分解电流有助於依负载分配电力、断开负载进行安全维护,以及保护导线与设备避免因为过载、短路与接地故障而遭受电流过大的危险。


配电盘主要组件有框架、汇流排、过电流保护装置、仪表、外箱及外盖板配电。配电盘框架是装设其他组件的金属支架。框架内装设汇流排,可从进线电缆进行分路装置配电。水平汇流排则配电至各配电盘区,其标准排列方向为由上至下依A-B-C依序排列。反之,垂直汇流排则进行电路保护装置配电,排列方向一般为由左至右或由前向後依序排列。


在盘体前侧可将过电流保护装置安装於垂直汇流排。常见类别分为四种,依序是电源断路器、塑壳断路器、熔丝开关与螺栓压力开关。其他配电盘内所使用的保护装置可能包括电表、突波保护装置 (SPD)、设备器室、切换开关、变压器与其他设备。


配电盘内也可装设特殊仪表。电表用於测量进线端的电流、电压、用电量、峰值需量及其他重要的电气叁数。仪表特别有助於测量与管理用电量,确保用电效率维持在最高水准。


配电盘标准外箱分为室内用的NEMA第1型(Type 1)与户外用的NEMA 3R型(Type 3R)。各项设备安装完毕即以外壳盖板密封。就像配电盘的正面不带电面板,开启外壳盖板即可使用保护装置,而汇流排与电线经过包覆,可避免不慎碰触。


配电盘结构体一般分为四类,然而并非所有的配电盘结构体都能够划归在这四种类型中:


*主要结构体有主隔离开关或主接线端子,一般包含突波保护、设备及/或用户测量装置。


*拉线结构体为空箱体,可从中拉引电缆。若须经由地面??电,一般会与进线端配电盘并用。电力由上端供应,因此不会有裸露的导线。


*配电结构体先进行分路保护装置的配电作业,电力经分路抵达下游的电力负载,再从进线端结构体经由汇流排传输至配电结构体。


*最後,整合式设备系统 (Intergrated Facility System,IFS) 配电盘结构体有分电箱、乾式变压器、切换开关、以及现场安装其他设备专用的空白背板。在同一空间将配电盘和乾式变压器用作配电盘,IFS 可有效减少设备布线所需的墙面空间和区域。IFS的主要优点是能够大幅降低安装布线所需要的空间,同时减少需要处理的设备数量。



图3 : 配电盘内装设多项重要零组件
图3 : 配电盘内装设多项重要零组件
图4 : 整合式设备系统(IFS)结构体布线经简化後,更容易安装且经济实惠
图4 : 整合式设备系统(IFS)结构体布线经简化後,更容易安装且经济实惠

低压开关装置

在某些情况下,为了加强重要配电系统的维护监控,以及兼顾安全与效率,因此需要更多功能强大的低压配电设备。低压开关装置通常是达成这些目标的最隹解决方案。


低压开关装置集中控制与保护包含变压器、发电机、马达与??线等设备在工业、商业及公共事业中所使用的低压电力设备及电路。


和其他选择不同的是,开关装置能够长时间承受短路电流(30个电气周波),这段期间内可启断最接近故障处的下游保护装置来排除故障。因此这些功能称为短时间耐受额定值。配电盘组件的塑壳断路器并不附有这些额定值。


低压开关装置含下列组件:抽出式断路器、断路器室、一次及二次电源连接导体、第二控制器室、结构体、汇流排(主汇流排与支线汇流排)与用户端区域。


低压抽出式断路器可自动保护电路免於过载或短路造成的危险。取名抽出式是由於这类断路器不须藉由螺帽、螺栓、连接用套件或其他机械件,即可连接一次及二次电源。



图5 : 抽出式(Drawout)断路器容易安装,可减少材料成本。
图5 : 抽出式(Drawout)断路器容易安装,可减少材料成本。

汇流排安装於框架内,将进线端电缆的电力分配至分路装置,水平断路器室配电至配电盘区段,垂直断路器室则配电至单一结构体中的电路保护装置。


电源连接分为一次与二次电源。主电源系统电源导入盘体中,??电至已连接的负载电源,此即一次电源。汇流排延伸至断路器室连接抽出式断路器的主系统电源组件,即完成连接。


二次电源包括供电至监控设备的电路,藉此监控各项用电装置,如固态跳脱装置、分路跳脱、指示灯、仪表(meters)、控制开关等。


由各结构体开关装置前端可接近操作,器室间彼此有所区隔,用以隔离低压监控电缆,避免电缆受到开关装置组件其他区域之干扰。第二控制器室可单独装设於端子台,专属於特殊断路器室以及其他控制装置。第二控制器室能经由专属控制电路,相互连接不同控制器室的装置。


独立式(freestanding)钢制外箱内部的主要开关组件称为结构体。包括各个断路器室、一次及二次电源连接以及第二控制器室。


结构体中装有镀银或镀锡的铜汇流排。开关装置组合内的主汇流排会依序垂直配电至各结构体。每个结构区内的垂直区汇流排会连接至水平主排线。垂直结构的排线对断路器供电,因此能够向外??电至独立负载装置。


用户端区域通常与结构体相邻,这些区域是保留给进线入囗电源与输出电源线或汇流排连接之用。各项组件的输出负载连接均止於此处,输出後可到达已经连接的设备。为提高安全性,此区藉由金属接地铜牌与断路器作良好隔离。


开关装置一般安装在高阶的电力系统。开关装置透过连接线或导线管??电至其他配电盘,进行系统或分段区隔配置。如此一来,若发生大规模停电,开关装置或可将危害降至最低程度。


开关装置固然是稳固可靠的选择,但体积庞大,价格也较其他低压配电设配高昂。如需决定是否值得额外投资装设开关装置,务必要从可靠性、安全性、永续性与便捷性的方面进行评估。


一般而言,只有需要最高等级的电力可靠性才有装设开关装置的必要。其中又以重要电气应用最为需要,例如无法承受电力中断的企业,可藉此防止收益与生产大幅减损,或保障人身安全。适合装设低压开关装置的电力应用领域包括:医疗机构、石化厂、机场、水处理设备、资料中心、重要政府机关、国防支援设备、金融机构以及大型办公大楼等。


若以系统持续运作为优先考量,通常会利用发电机或备用供电设备等紧急电源,常用电源与紧急电源的切换开关输出与各种电路、设备或系统电源相连,切换开关即用於迅速切换供电电源。


图6 : 切换开关的基本元件
图6 : 切换开关的基本元件

切换开关可切换正常与紧急电源间的负载,有两种基本方式:开路切换(open)与闭路切换(closed)。开路式切换开关会先断开其中一个电源连接,才会连接其他电源。开路延迟切换开关进行切换前会预留一小段延迟时间,以避免切换过程中电流高於正常值(亦即「涌浪电流」)。开路对相切换开关会自动执行这项程序,相当灵敏精确。


若是闭路切换式解决方案,切换开关会先连接至新电源,再断开既有电源,由於断电与连接无时间延迟,因此在切换过程中,下游的负载会持续受电。


切换开关用以传输额定电流与切换电源,此切换机制即属於其中一环。低压切换机制技术基本上可划分为两种型态,一般称为「接触器型」与「断路器型」。断路器型切换机制又可细分为两种次要型态:塑壳型与断路器型。负载电源的特定效能表现与其安全性非常重要,在决定采用何种切换方式或何种切换开关合适时,皆须纳入考量。


汇流排解决方案

如受时间与空间所限,汇流排解决方案能够取代电缆或导线管进行配电。此替代方案效率优异,包含三种主要元件:输电用的铜制或铝制导体(即汇流排)、架设汇流排的金属外壳、以及绝缘物,可避免排线分离时所导致的故障,空气绝缘或环氧树脂均适用。



图7 : 主要元件示意图:汇流排解决方案包括外壳包覆之绝缘导体,目前提供各式尺寸汇流排,包含模组化与可扩充设计,选择相当灵活。
图7 : 主要元件示意图:汇流排解决方案包括外壳包覆之绝缘导体,目前提供各式尺寸汇流排,包含模组化与可扩充设计,选择相当灵活。

针对需要经常重新执行设定或升级扩充的配电需求,汇流排是相当理想的解决方案。新汇流排??头可随时加入原有汇流排中,无须支付高昂的基础设施费用,也不用另行断电。汇流排的模组化设计可在现有排线上轻松增添元件,其扩充能力目前是电缆/导线所缺乏的。以上特色让汇流排非常适合应用在资料中心、医疗机构、工业或制造设备,也适用於商业与住宅建筑结构。


汇流排主要分为??电和??入式两种解决方案。??电汇流排设定可自行调整,具备超??想像的灵活度。??入式汇流排可於固定位置支援一至数个汇流排??头(电源线连接点),但仅限平直段。部分产品系列包括断路器的汇流排??头、熔丝开关、接触器,以及各类需求适用的启动器,同时还有多款突波保护与测量替代方案供选择。


户内外均适用汇流排,可配置各种额定电流。如需保护敏感电气设备,请挑选具备高故障电流额定值的产品。如需确保系统安全性,请挑选美国优力(UL)、加拿大标准协会(CSA), 或国际电工委员会(IEC)所认证的汇流排产品。


汇流排虽不是所有应用中的最隹选择,却具有诸多优点,而且近来也日益普及。汇流排的价格低廉、容易安装、尺寸小巧、具备良好的适应与扩充性,甚至能兼顾永续性。汇流排是绿色节能的选择,可为建筑更加分,以取得ENERGY STAR或能源与环境先导设计(LEED)的标章认证。


结论

目前市面上的低压配电设备种类繁多,能满足各类住宅、商业建筑以及工业设施的不同需求。消费者若充分了解分电箱、配电盘、低压开关装置及汇流排选项之间的不同之处,当挑选电力控制、配电产品、与电力品质产品与服务时,就能做出更聪明的选择。高品质厂商运用创新与专业扩充产品类别的同时,也要能提供客制化指引,才能满足不同消费者的需求。


(本文作者Mark Rumpel任职於Eaton生产线经理)


相关文章
模壳断路器与低压电力断路器的健康状态
自动化工业中的乙太网路(三) Modbus TCP以及PROFINET
汽车安全性唾手可得
EMS让能源管理更智慧
中小型企业的电力风险规划与备援策略
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» 智慧根基於情感 AI是协助人类不是取代人类
» 深耕台湾十年 伊顿持续聚焦智慧电力
» 伊顿来台十年 分享多项新电源解决方案与智慧电力管理技术
» 当AI与机器人走进生活 仁大资讯深化智慧应用
» 物联网需求多元 感测器功能必须同步跟上
  相关产品
» HP X上奇科技 Indigo无限可能卓越中心盛大开幕
» 使用适合长行程的滚轮拖链 igus 免上油轴承 使用寿命增加了一倍以上
» Seeing Machines为自动化调研汽车推出Guardian BdMS系统
» 兆镁新推出10款全新GigE工业相机
» ADI 针对极低电压元件推出 ±0.5% 精度监控器

AD