2.1 智能化低压开关柜概述
2.1.1 智能化低压开关柜的整体结构
低压开关柜的柜体结构分为固定式和抽屉式，固定式和抽屉式还可以混合构成混装式。
固定式低压开关柜的各个馈出单元是固定安装的，不能随意抽出。它的特点是经济实用，元件安装也方便。缺点是检修时必须全套开关柜都停电。
抽屉式低压开关柜的各个馈出单元和电动机控制单元都安装在抽屉中，抽屉可按需求推入和抽出，抽屉之间还具有互换性。抽屉式低压开关柜能很好地解决不停电检修问题，缺点是价格比较高，结构也相对复杂。
抽屉式安装形式能够实现在带电状况下将可移出式部件和抽出式部件安全地从主电路上移出或插入，还可实现可移动式部件在位置间转移，这时最小的电气间隙和爬电距离应当符合标准要求。抽屉式安装形式下的可移动式部件具有连接位置和移出位置标识，而抽出式部件也有工作位置、分离位置和试验位置标识。移动式部件设置了连锁机构，它保证只有在主电路已被切断后其电器才能抽出和插入。为了防止误操作，利用锁扣机构将抽出式部件固定在规定位置上。
抽屉式低压开关柜能够方便地更换有故障的设备。
以下对智能化低压开关柜的整体结构进行描述。
1.低压开关柜的总体尺寸
图2-1所示为低压开关柜的总体尺寸。
图2-1 低压开关柜的总体尺寸
在国家标准GB/T 3047.1—1995《高度进制为20mm的面板、架和柜的基本尺寸系列》的表6、表7和表8中对低压开关柜的总体尺寸系列给出了定义，见表2-1。
常见的低压开关柜总体尺寸系列与此表基本吻合。例如ABB公司的MNS3.0低压开关柜，它柜体高度是2200mm，柜体宽度是400mm、600mm、800mm、1000mm和1200mm，柜体深度是600mm、800mm、1000mm、1200mm。
表2-1 低压开关柜总体尺寸系列
低压开关柜的前后安装有柜门。柜门一般用钢板制成，门板上往往还安装了各种仪器仪表。为了便于操作，国家标准GB 50054—2011《低压配电设计规范》中的表4.2.5中有相关规定。
标准摘录：GB 50054—2011《低压配电设计规范》表4.2.5
表4.2.5 成排布置的配电屏通道最小宽度（单位：m）
注：1.受限制时是指受到建筑平面的限制、通道内有柱等局部突出物的限制；
2.屏后操作通道是指需在屏后操作运行中的开关设备通道；
3.背靠背布置时屏前通道宽度可按本表中双排背对背布置的屏前尺寸确定；
4.控制屏、控制柜、落地式动力配电箱前后的通道最小宽度可按本表确定；
5.挂墙式配电箱的箱前操作通道宽度不宜小于1m。
由于低压开关柜的前门上往往安装了各种电力仪表和其他元器件。为了操作和读表方便，低压开关柜的前门最好为一扇。从GB 50054—2011的表4.2.5中看出，低压开关柜的柜后维修通道的最小宽度为800mm，所以低压开关柜后门的最大宽度不得超过800mm。
2.低压开关柜的空间布局形式
低压开关柜由三个区域构成：第一是设备区，由放置主回路和辅助回路元器件的抽屉构成，或者由断路器构成；第二是电缆室，用于电缆出线；第三是母线室，用于放置低压开关柜内的主母线，如图2-2所示。
图2-2 低压开关柜空间分配型式
图2-2的左图是低压开关柜主母线顶置的空间布局。在顶置母线室的前下方是设备区，而后下方则是电缆室。由于低压开关柜的出线电缆室位于开关柜的后方，所以这种空间布局形式又被称为水平母线顶置的后出线低压开关柜。
图2-2的右图是主母线后置的空间布局。在低压开关柜的左前方是设备区，右前方是电缆室。由于低压开关柜的出线电缆室位于开关柜的右前方，所以这种空间布局型式又被称为水平母线后置的侧出线低压开关柜。
图2-2的中图是双面操作开关柜。我们看到这种柜型属于侧出线柜型，但不同的是，水平母线位于开关柜的中间，也因此使得主母线的散热能力变差。所以，水平母线中置的双面操作低压开关柜主母线必须要降容使用。
3.低压开关柜的隔离型式
在GB 7251.1—2013《低压成套开关设备和控制设备 第1部分：总则》（等同于IEC61439-1：2011）中解释了隔离的用途，分别是：
①防止本功能单元的故障影响到邻近功能单元；
②限制产生故障电弧的可能性；
③防止操作者误触及功能单元的带电部件；
④防止外界的硬物体从成套开关设备的一个单元进入另一个单元。
满足上述要求的有效解决办法就是用隔板和挡板对低压开关柜各个功能区域进行隔离。
低压开关柜的分隔型式有四种，即分隔型式类型1（form1）、分隔型式类型2（form2）、分隔型式类型3（form3）和分隔型式类型4（form4）。我们来仔细看看四种分隔型式，如图2-3～图2-6所示。图中的Incoming/Feeder是进线和馈电回路，较粗的是主母线，较细的是配电母线，带有圆圈的线是电缆连接点。
图2-3 低压开关柜的分隔型式类型1（form1）
图2-3分隔型式类型1中的主母线系统与功能单元是混合安装的，所有的功能单元均未隔离。当某功能单元因故障出现电弧和金属蒸汽时，将波及整柜所有功能单元，包括主母线系统和配电母线系统。因此采用分隔型式类型1的配电设备可靠性最低。
图2-4中有两种分隔型式类型，即分隔型式类型2A和分隔型式类型2B。
分隔型式类型2A采取的措施是用隔板将所有功能单元与母线系统隔离，但功能单元之间不隔离，同时电缆接点与母线系统之间也未隔离。
分隔型式类型2B采取的措施是用隔板将母线系统隔离，但功能单元并未隔离。
对于分隔型式类型2A和2B，若某功能单元出现的故障电弧和金属蒸汽，将会波及到临近的其他功能单元，但不会影响到主母线和配电母线系统。
分隔型式类型2的典型代表是某些早期设计的固定式低压开关柜，例如PGL和GGD等低压成套开关设备。
分隔型式类型3A采取的措施是用隔板将所有功能单元与母线系统隔离，功能单元之间也隔离，但电缆接点与母线系统之间未隔离。
分隔型式类型3B采取的措施是用隔板将母线系统隔离，功能单元和功能单元相互之间也都隔离。功能单元的电缆接点与母线系统之间未隔离。
图2-4 低压开关柜的分隔型式类型2A和2B（form2A、form2B）
图2-5 低压开关柜的分隔型式类型3A和3B（form3A、form3B）
图2-6 低压开关柜的分隔型式类型4A和4B（form4A、form4B）
对于分隔型式类型3A和3B，若某功能单元出现故障电弧和金属蒸气，它不会波及临近的其他功能单元，也不会影响到到主母线和配电母线系统。
由于功能单元的电缆接点与母线系统并未隔离，所以功能单元电缆接点的故障电弧和金属蒸气会影响到母线系统。
绝大多数低压开关柜都采用分隔型式类型3的隔离方法。
分隔型式类型4A采取的措施是用隔板将所有功能单元与母线系统隔离，功能单元之间也相互隔离，电缆接点与母线系统之间也隔离，但电缆接点与功能单元之间不隔离。
分隔型式类型4B采取的措施是用隔板将母线系统隔离，功能单元与母线之间、功能单元相互之间也都隔离。电缆接点与母线之间、电缆接点与功能单元之间也都隔离。
对于分隔型式类型4A和4B，若某功能单元出现故障电弧和金属蒸汽，它不会波及临近的其他功能单元，也不会影响到到主母线和配电母线系统。
分隔型式类型4A与分隔形式类型4B的区别仅在于功能单元与自身的电缆接点之间的隔离措施，前者未隔离，而后者则隔离。
采用了分隔型式类型4A和4B后，故障电弧的影响几乎被消除了，所以低压配电柜采取了分隔型式4A或者4B后可靠性极大地提高，缺点是低压配电柜的散热能力被削弱。
智能型低压开关柜普遍采用分隔型式类型3和分隔型式类型4的隔离方法。
4.低压开关柜结构和尺寸的模数化
我们知道低压开关柜中有许多尺寸关系。例如结构件的尺寸、安装孔的孔间距、各种部件的大小规格和安装位置关系等。在低压开关柜的机械结构设计中，如果这些尺寸关系和形位关系能够存在一个被称为模数的基本尺寸，其他各种尺寸关系只是这个基本模数的倍数关系，则对于低压开关柜的结构设计和安装来说，将会提供极大的便利。
低压开关柜相当于安装低压开关电器的容器，我们当然希望能在这个容器中安装尽量多的元器件，这样可以提高空间利用率，降低成本。低压开关柜内安装空间的合理利用，自然成为一个重要问题。
在智能化低压开关柜的模数化设计中存在基本的长度单位E，它是各种长度关系中的最小基本单位。E对应的体积空间，则是各种功能单元和抽屉的最小空间单元。一般地，智能化低压开关柜都是从高度方向采用E值来对应安装位置、抽屉外形尺寸和容积、各种安装结构件的规格参数等。
以ABB的MNS3.0低压开关柜为例，它的基本模数E=25mm。在MNS3.0中若干结构件和部件与E值的关系如下：
5.低压开关柜主要技术术语解释
2.1.2 智能化低压开关柜的分类及特征
现代工业和民用建筑对低压开关柜的要求是：在低压开关柜的投资成本方面具有经济性，在制造安装方面具有灵活性，而在使用操作方面具有安全性和可靠性，在智能化方面有独特的先进性。
1.智能化低压开关柜的分类
（1）第一类智能化开关柜——采用智能化元器件的低压开关柜
采用智能化元器件的低压开关柜内所选用的元器件都是智能化的，例如ABB的Emax框架断路器和Tmax塑壳断路器，它们均由保护单元、电流计量单元、控制单元和对话单元构成。
智能化开关柜是以智能化开关器件、智能化电力仪表、电动机综合保护装置、馈电测控装置为基础，通过现场总线将各种信息汇总到柜内的通信管理中心后，再通过工业以太网与电力监控系统实现交互控制和交换信息。
利用这些方法，可以实现对各个供配电回路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电量等参数进行监测，以及对断路器的开合状态进行监视和控制，还能配合各种远程监控软件实现遥测、遥信、遥控和遥调操作。
此类开关柜的典型代表就是ABB的MNS3.0。
（2）第二类智能化开关柜——具有全面信息化测控管理功能的低压开关柜
此类开关柜内信息采集摒弃了传统的电流互感器，利用各类传感器和控制器，实现三相电流、电压及相位差的采集，还可采集柜内各主回路一次搭接点的实时温度数据。这些数据经过柜内的工业以太网传输到测控单元中。
测控单元还可与各主回路（包括进线主回路、馈电主回路、电动机主回路、电容补偿主回路、ATSE互投主回路等）进行对话，以便实时地监视系统工作状况和执行各类遥控操作。
测控单元通过工业以太网与电力监控系统实现交互控制和交换信息。
此类低压开关柜的典型代表是ABB的MNSis。
2.智能化开关柜的特征
无论是哪种类型的智能化开关柜，它们都需要配套合理的柜体结构设计。柜体设计主要包括如下几方面的内容：
（1）多功能的母线系统
母线系统是低压开关柜的重要组成部分。母线系统决定了低压开关柜的动热稳定性等电气参数，决定了低压开关柜的进出线方式，决定了各个主回路的连接方式，以及低压开关柜的温升等参数。目前在低压开关柜中广泛采用异形主母线，例如ABB的MNS3.0后出线柜型中采用“工”字形主母线。在低压开关柜中主母线的技术要点是：
1）着眼于提高母线系统的抗弯强度，提高主母线抵御短路电流的能力；
2）分支母线与主母线之间采用无孔连接，简化了母线系统的装配方式。同时，分支母线与各抽屉回路也采用无需打孔的抽插方式，方便了低压开关柜的使用和维护。
（2）低压开关柜柜架结构采用无螺母的连接方式
所有低压开关柜内的柜体连接均采用自攻螺钉。采用自攻螺钉除了方便开关柜柜体装配外，还提高了柜体连接强度。
（3）柜体结构广泛采用高强度同时又耐酸碱的特种型钢材料
柜体结构广泛采用以覆铝锌钢板制作的型钢骨架，当低压开关柜电流达到一定强度后还采用不导磁的材料制作型钢骨架。这些特种钢材制造的柜体骨架材料提高了低压开关柜的动热稳定性的同时，还具有良好的耐酸碱特性和耐温特性。
（4）柜体结构标准化和部件化
柜体结构标准化和部件化能大幅度地提高低压开关柜的装配速度和效率，同时也给用户带来使用和维修的方便性，便于用户备品备件的管理。
（5）元器件的智能化
智能化开关柜需要低压开关电器的智能化。低压开关电器的智能化包括以下几方面的内容：
1）低压电器的智能化：将微处理器和计算机技术引入开关电器中，用高精度的数字电子技术来代替传统的模拟电子技术，大幅度地提高了开关电器的工作性能和反应速度，极大地提高了开关电器的智能化水平。例如用电动机综合保护装置代替传统的热继电器，实现了测信控一体化，更兼有通信功能，实现了电动机过载保护开关电器的质的飞跃。
2）智能脱扣器：早期的脱扣器其用途是当电路中出现过电流时驱动断路器执行跳闸。现在的智能脱扣器不但能实现过电流保护，还能实现欠电压保护、过电压保护、接地故障保护、剩余电流保护、相不平衡保护、负功率保护、方向保护和区域保护等。
除此之外，智能脱扣器还能高精度地采集电压、电流、功率因数、功率、电能、频率、谐波、触头温度等线路参量。这些参量能以遥测信息的形式通过通信接口和现场总线发布到需要它们的后台监控系统中去。
智能脱扣器还具有采集开关量的功能，这些开关量能以遥信的形式附带SOE时间标签发送给远方后台，还能执行后台发布的遥控操作，能实现远方调整保护参数。
3）具有抗干扰能力和高可靠性：随着智能化开关电器技术的发展，电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）显得越来越重要。EMC有两方面的要求：其一要求智能化开关电器在安装场所工作时不受外界电磁干扰引起误动作，其二要求智能化开关电器在工作时产生的电磁场不会干扰附近的其他电子设备。
现场的电磁场干扰来自各方面，包括了电气扰动、温度变化和振动等，其中电气扰动是主要干扰。干扰会通过电源回路和信号输入回路侵入智能化开关电器，因此智能化开关电器的抗干扰性能显得尤为重要。
电子产品的可靠性涉及的范围极其广泛，其中元器件的品质、设计规范、制造工艺水平都会影响到电子产品的可靠性指标。所以智能化开关电器的高可靠性突出地反映了该产品制造商的技术水平和管理水平，是衡量制造商综合水平的试金石。
3.智能化低压开关柜的其他属性
与普通的低压开关柜类似，智能化低压开关柜也具有如下属性：
（1）PCC型低压开关柜和MCC型低压开关柜
一般地，工作在一级配电设备中的低压开关柜都是PCC柜，PCC柜的全称是动力配电中心低压开关柜。PC柜安装的位置在总降压变电所内，用于向下级配电设备输送电能。因为PCC柜紧靠着电力变压器，所以PCC柜的分断容量较高，各项电气参数要求也较高。
与PC柜交换信息的后台监控系统一般是SCADA（Supervisory Control And Data Acquisi-tion，监视控制与数据采集系统）。
工作在二级配电设备中的低压开关柜都是MCC柜，MCC柜的全称是动力配电中心和电动机控制中心。
MCC柜由于临近终端负荷，所以MCC柜的控制线路较为复杂。MCC柜的信息往往还需要分送给不同的后台监控系统，例如电力监控SCADA、过程控制中心DCS和楼宇控制中心BAS。因此，MCC柜的控制和信息传送远较PC柜要复杂。
（2）低压开关柜的短路强度
低压开关柜在出现短路的情况下，应当能承受预期短路电流所产生的电动力冲击和热冲击。按照GB 7251.1—2013（等同于IEC 61439-1：2001）《低压成套开关设备和控制设备 第1部分：总则》的第9节“性能要求”。低压开关柜的制造厂应当给出下列短路强度的数据：
1）如果使用断路器作为短路保护器件，则应当指明保护参数和整定值，其中整定值对应于所指明的预期短路电流值；如果使用熔断器作为保护器件，则应规定最大的允许前置熔断器的参数（电流额定值、分断能力、截断电流、I2t等）。
2）对于低压成套开关设备和控制设备的进线单元，应给出额定冲击耐受电流峰值、额定短时耐受电流及脱扣整定时间（如果整定时间不是1s）。
若低压开关柜有若干套进线单元，但在实际运行时不会同时投入，并且系统有若干套大功率电动机负载，则进线单元的短路强度应当根据用户提供的数据确定保护参数，同时出线单元和母线也必须确定预期短路电流值。
（3）低压开关柜的防护形式
低压成套开关设备和控制设备必须提供足够的防护等级，防止操作者触及带电部件，还要防止外来物侵入和液体溅入。
（4）低压开关柜的操作面选择方式
低压开关柜能够单面操作或双面操作，其中双操作面的方式又分为共用母线的双操作面背靠背结构形式和母线相互独立的双面柜结构型式。
所谓共用母线的双操作面结构形式，其实质上是在同一台开关柜框架中既安排了共用的母线系统，又在框架的前面和后面各安排了一套操作面以及对应的双套设备区。这种双操作面结构柜型被称为母线共用的背靠背双操作面结构形式。
母线相互独立的双面柜结构型式其实质上是将两套开关柜背靠背地安装在一起，两套开关柜的后部之间一般有100～200mm的隔开距离，目的是作为母线系统的散热通道。
此两种方式都可以节约安装空间，但前者结构更合理但有电流容量限制，后者则没有容量限制。对于双面柜间及柜后的通道宽度要求见GB 50054—2011《低压配电设计规范》表4.2.5。
（5）环境条件
在选择和设计低压成套开关设备和控制设备时，要考虑到安装处的环境温度和气候条件，以及其他特殊使用条件。这些条件将决定低压成套开关设备的负载能力和降容要求。
正常使用条件下分为户内安装和户外安装两种。
1）户内安装：低压开关柜在正常条件下户内安装：户内温度不超过40℃，24小时周期内平均温度不超过35℃，下限空气温度为-5℃。在40℃时相对湿度为50%，20℃时相对湿度为90%。
2）户外安装：低压开关柜在正常条件下户外安装：户外温度不超过40℃，24小时周期内平均温度不超过35℃，下限空气温度在温带地区为-25℃，北极地区为-50℃；仪表和继电器的工作温度不得低于5℃。户外安装的相对湿度在25℃可达100%。
（6）特殊使用条件
1）环境温度较高和相对湿度较高的场所，以及海拔超过2000m的场所；
2）温度或气压变化剧烈，在低压成套开关设备和控制设备内部发生凝露；
3）空气被尘埃、烟雾、腐蚀性微粒、放射性微粒、蒸汽或盐雾严重污染；
4）暴露在强电场或磁场中；
5）暴露在很高的温度中，或被阳光或火炉辐射；
6）受霉菌或微生物侵蚀；
7）装设在爆炸危险的场所；
8）遭受强烈振动或冲击；
9）装设在使载流容量和分断能力受到影响的地方。
对于特殊使用条件，无论存在哪一种，都应当按照相关标准要求或者由用户与低压开关柜的制造厂签订专门的协议予以解决。