江魏 张明辉 李阳
摘要：产品结构设计是为了实现产品各项功能而对产品内外部结构、形状特征的构想和定义。一个好产品必须要实用，功能是产品存在的理由，所以功能是设计的第一位，其次才是形状特征。一个好的结构设计并不是简单结构堆积，其中蕴含了很多表面并不凸显的要点。在产品生命周期的各阶段可能逐渐凸显这些优点，当然也有可能永远不会显现（比如某些安全预防功能）。结合笔者多年从事二次保护行业结构设计的经历，归纳概括电力二次保护插箱结构设计的一般思路。
关键词：构想;结构;思路
中图分类号：TB472
文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2019）04-0159-02
Abstract：Product structure design is the conception and definition of internal and external structure and shape characteristics for the realization of various functions of the product.A good product must be practical， function is the reason for the existence of the product， so function is the ?rst design， followed by shape characteristics.A good structural design is not a simple accumulation of structures， which contains many surface does not highlight the point.These advantages may gradually become apparent at various stages of the product life cycle， or they may never become apparent（For example， some safety precautions）.Combined with the author's many years of experience in the structural design of secondary protection industry， this paper summarizes the general ideas of the design of secondary protection box junction.
Key Words：Design;Structure;Idea
近年来我国电力行业高速发展，带动二次保护行业日新月异，掀起了多次技术变革。国内电力设备企业只有积极迎接智能电网带来的变革，抓住机遇、接受挑战，在不断发展的过程中不懈努力，不断提高。二次设备市场需求增长较快，行业产销率波动幅度较小，行业抗周期能力较强。市场规模小，但相对进入壁垒高，行业巨头垄断性高。而且二次设备多是以IT软硬件为主，属于电子产品，更新换代频繁。二次设备不仅能享受国家大规模电网建设产生的巨大新增需求，还有不断产生的更新需求，在整个电网建设大周期下，行业展现出巨大生机。
在电力二次保护行业，铝制插箱逐渐占据主导地位。威图、西门子等是我国最早引进、影响最为广泛的供货商。随着国内市场需求的增长，一大批从事二次保护的中小企业崭露头角。他们通过扎实的基本功，勤勤恳恳，逐渐成为我国二次保护行业的中坚力量。插箱作为二次保护行业中的一小部分，需大量经验丰富技术人员来为其作支撑，做出好的产品服务于社会的发展。
结合笔者多年从事二次保护行业的结构设计经历，归纳概括电力二次保护插箱结构设计的一般思路，希望对从事相关工作的技术人员有所帮助，促进行业的发展与进步。
1产品性能要求
一款插箱产品到底怎么样，主要从外观和性能两个方向去评判。外观是产品外形给人的第一印象，每个人或许有不同的审美，得出的结论也是有差异的。工业化的产品在外观方面还是力求做到符合大众审美，不搞特立独行。
产品总体方案的设计非常重要，它能否满足用户、企业及社会对产品功能的需求。从总体上检验产品对总体目标的实现情况，检验产品在设计过程中是否贯彻产品的设计目标。对二次保护行业插箱而言，性能优劣的判定主要体现在以下几个方面：（1）是否具备足够的强度。装配相应的电气元件后，在振动和冲击的模拟试验中保持良好的稳定性。确保其在产品服役期间，为内外部功能器件提供坚强的物理支撑和防护;（2）是否具有良好的电磁兼容性能。不对外产生大量的电磁辐射和内部电气元器件不被外部的电磁场干扰。电磁兼容性能涉及人身健康和环境保护，是电子产品质量最重要的指标之一;（3）是否具备良好的热传递能力。电气元件工作产生的热量积累到一定值时，其能否及时传递出去，或者环境温度较低时，通过加热器件产生的热量能否传递给箱体，使其内部环境温度均匀且满足各元器件的正常工作;（4）是否具备良好的防腐性能。在相应的环境条件下稳定运行，各部件经得起时间的考验。如果防腐性能不强，轻的在表面上有损坏，严重的会引起设备功能部件的损坏，造成设备故障;（5）是否具备良好的兼容性能。硬件的兼容性主要是从产品结构兼容性和零件通用性两个方面来看。产品结构兼容性好，能够大幅降低生产成本，维护成本，以及新产品的研发成本。
2结构设计及相关因素分析
产品结构设计是为了实现产品各项功能而对产品内外部結构、形状特征的构想和定义。一个好产品必须要实用，功能是产品存在的理由，所以功能是设计的第一位，其次才是形状特征。产品要实现其各项功能必须依赖结构来实现。结构设计是最基础，也是最复杂的工作环节，对产品起着至关重要的作用。设计者既要构想一系列关联零件来实现各项功能，又要考虑产品结构紧凑、外形美观;既要安全耐用、性能优良，又要易于制造、降低成本。结构设计师需要全方位和多目标的空间想象力，并跨领域的协调整合，根据各种要求与限制条件寻求对立中的统一。就保护类插箱而言，具体来说主要考虑以下内容：
2.1遵循行业规范
IEC60297是被广泛遵循的国际标准，经过多年的发展，标准也在更新和细化。我们国家对应标准是GB/T19520，两个标准我们可以认为是等效的。二次保护插箱的典型布置，如图1。
就保护类插箱而言，主要关注的是接口要求和外形尺寸要求。接口主要包括插箱与柜体的连接，插箱内部插件板与总线背板的连接。插箱与柜体的连接主要体现在上屏螺钉的位置上（当然非标准插箱不受此限制），常规全宽安装孔距为465.1mm，竖直方向上的安装尺寸根据箱体的高度而定，具体尺寸上述标准文件有相应的规定。插箱内部插件与总线背板的连接，主要取决于连接器的种类和遵循的标准。保护类插箱PCB插拔连接器，广泛遵循DIN41612欧标，国际标准IEC60603-2，对应国标为GB/T15157系列标准。这些标准最核心的共同点是B列插针的位置要求，如图2。
可以认为其决定了总线背板上连接器的位置，同时也决定了插件PCB板在插针横向的位置，具体尺寸上述标准文件也有相应的规定。
IP防护等级是由IEC（国际电工委员会）所制定，将电器件按照防尘、防潮的性能加以区别分级，是电气设备安全防护的重要评判标准。就保护类插箱来说，很难实现完全防尘和防潮的要求，但可以通过减小表面开孔大小来降低外界异物进入箱体的风险，通过适当结构设计降低水滴进入箱体的可能性。提升箱体的IP防护等级，往往会牺牲产品的成本优势，防护等级越高，成本增加的越大。在实际工作中，往往需要综合考虑产品的性能要求和产品成本，选择适当的IP防护等级。
2.2材料选择
二次保护行业插箱经过长时间的发展和更新换代，逐步形成以铝制材料为主，其它材料为辅的产品形态。铝的密度是2.7g/cm?，是铁的2.8倍，导热性能好，仅次于银、铜和金，价格低廉，资源丰富。铝和氧亲和力强，在大气中铝的表面生成一层致密Al2O3薄膜，可以阻止铝的进一步氧化。当然插箱的组成材料不仅限于铝材，也采用相当多的其它种类材料。比如有绝缘特性的玻璃丝布板、有透明特点的PC材料、耐摩擦性能较好的尼龙66等。选材除了考虑上诉列出的特殊性能要求外，还应根据GB14598.27要求考虑材料的耐温性能、阻燃性能。
2.3生产制造
行业的发展现状是材料、力学、设计、制造等多个科学技术领域共同努力的结果。其中生产制造直接担负将设想变为现实的任务。产品如何转变、转变方法是否简单、转变成本是否低廉等这些内容都不应该是设计师主要考虑的，但现实却不是这样的。在激烈的市场竞争中，设计师在设计产品的时候却不能不兼顾生产实际，特别是大部分结构工程设计师。对于中小企业来讲，一个好的结构设计，一定是能实现设计师的对产品的功能构想，一定是便于高效率生产的，一定是便于企业降低生产成本的，一定是便于保证产品质量稳定的。所以广大的工程技术人员需要不断积累和学习一定的生产制造经验，并将其用于产品的设计开发中。
2.4客户体验
客户体验看起来有些虚无飘渺，似乎是魔法的产物，实际上，客户体验来自具体可控的因素。客户体验是客户在使用一个产品之前、使用期间和使用之后的全部感受，包括情感、喜好、认知、生理和心理反应等各个方面。无论你在创造体验时是有意还是无意。这种体验究竟是完美、糟糕还是在业内处于平均水平，完全要取决于产品和服务。良好的用户体验有助于企业不断完善产品和服务，增强企业产品竞争力。对于工业产品来讲，用户体检没有像互联网系统产品那样追求多样化和个性化。工业产品主要追求规范、简洁、易用、耐用等方面。
2.5产品服役和寿命终结
产品在实际的工作条件下，能够在寿命期内持续稳定运行。在设备出现故障的偶发事故中，要有完善且便利的更换和退出机制。要使产品的更换或升级变得方便，同时减小此类工作对其它产品或部件产生影响。在产品寿命期终结期，要能实现简单、快捷的退出，包括产品设备的快速拆除、分解、物料回收、不污染环境等。这需要工程设计人员在做产品设计时考虑产品全生命周期，包括产品孕育期、产品生产期、储存销售期、服役期和转化再生期。贯彻绿色设计思想，统筹考虑产品生命周期各阶段。
3结语
我国对电网一、二次设备使用年限有明确规定，按技术规范和管理要求，一次设备使用寿命不超过30年、二次设备使用寿命不超过12年。我国进入大电网时代以后，电网投资陆续加速，2006—2009年进入建设高峰，这一批陆续需要更新换代。再加上国家电网农电系统大力实施“三新”农电发展战略，着力推进农村电网建设与改造“户户通电”工程、新农村电气化建设、农电企业规范化管理工程和农电队伍素质提升工程等，市场前景广阔。
插箱的结构设计看似比较简单，但对于广大从业者来说还是需要逐渐的积累经验和教训。一个好的结构设计并不是简单的结构堆积，其中蕴含了很多表面并不凸显的要点。在产品生命周期的各阶段可能逐渐凸显这些优点，当然也有可能永远不会显现（比如某些安全预防功能）。本文仅是结合工作经历，归纳电力二次保护插箱结构设计的一般思路和方法。文中所言仅供参考，不正之处敬请指正。
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