變電站戶外智能控制柜綜合環(huán)境控制應用

任水華 陳恒松 李 濤

（國網(wǎng)蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000）

作為就地安裝的裝置的主要宿主設(shè)備，智能控制柜在智能變電站中具有重要地位。智能控制柜的全環(huán)境適應性、完備的信息交互、高可靠易維護性、高性價比節(jié)能設(shè)計都會對智能變電站安全運行和經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保產(chǎn)生深刻影響。通過本項目對智能控制柜運行環(huán)境控制技術(shù)的專項研究，引入合理有效的散熱設(shè)計、溫濕度智能控制系統(tǒng)，使得智能控制柜在溫濕度控制、節(jié)能環(huán)保等各方面性能有顯著的提升。

依據(jù)國網(wǎng)《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，目前的智能化變電站均將智能終端、合并單元就地化安放。由于智能終端、合并單元等設(shè)備對環(huán)境溫濕度、抗電磁干擾能力等要求較高，當它們集中布置于二次設(shè)備室時，由于二次設(shè)備室良好的溫濕度環(huán)境和抗電磁干擾能力，可以保證這些二次設(shè)備的安全可靠運行和較長的使用壽命，但當它們下放一次設(shè)備場地，就地化布置時，外部的溫濕度環(huán)境和電磁干擾影響都遠比二次設(shè)備室惡劣，尤其在戶外GIS和AIS站中，這一情況將更加嚴重。因此，要保護它們的正常運行，就必須對用于安裝它們的智能控制柜提出更高的要求。

1 當前戶外柜環(huán)境控制主要方式

1.1 強迫風冷方式

采用風機（軸流風機或離心風機），實現(xiàn)柜內(nèi)外空氣的對流，將室內(nèi)熱空氣排到室外，同時將室外的冷空氣排入室內(nèi)，實現(xiàn)柜內(nèi)熱量的轉(zhuǎn)移。

優(yōu)點：（1）風機結(jié)構(gòu)簡單，體積小，安裝、維護方便；（2）能耗低；（3）成本很低；

缺點：（1）夏天環(huán)境溫度過高時，散熱效果差，不能長期承擔對機柜降溫的重任；（2）防護等級低，灰塵、濕氣及腐蝕性氣體進入機柜內(nèi)部，容易積聚粉塵等污垢，并污染柜內(nèi)的元器件，進而加劇元器件熱島效應；（3）風扇只能散熱降溫，冬天環(huán)境溫度過低，不能給機柜加熱升溫。

1.2 熱交換器散熱方式

熱交換器裝置是一種利用低于柜內(nèi)溫度的柜外空氣，通過熱交換芯進行有效交換，把柜內(nèi)熱量傳遞給柜外空氣。熱交換器工作時，不同溫度的柜外空氣和柜內(nèi)空氣在風機的驅(qū)動下通過由金屬材料制成的分隔板進行熱量交換，兩邊的氣流100%完全隔開。

優(yōu)點：（1）防護等級高，排除了濕度、灰塵對柜內(nèi)可能產(chǎn)生的污染，避免由于熱量、濕度、灰塵和其它污染物引起的故障等功能。（2）散熱效果較風扇好。

缺點：（1）由于熱交換器的本質(zhì)是熱傳導，因此柜內(nèi)溫度總是高于環(huán)境溫度，夏天環(huán)境溫度過高時，將導致柜內(nèi)溫度過高；（2）熱交換器風扇只能散熱降溫，冬天環(huán)境溫度過低，不能給機柜加熱升溫。

1.3 空調(diào)器溫控方式

機柜空調(diào)器有壁掛、半嵌、全嵌、頂置等多種安裝方式，可以根據(jù)機柜中具體溫度情況決定是制冷還是加熱。

優(yōu)點：（1）散熱效果好，由于冷風直接送至熱源附近，可以保證機柜內(nèi)不出現(xiàn)熱點；（2）防護等級高，能阻止灰塵、濕氣及腐蝕性氣體進入機柜內(nèi)部；（3）冬天環(huán)境溫度過低時，可以加熱升溫。

缺點：能耗高。

2 一種基于空調(diào)與風扇協(xié)同工作的戶外柜溫控系統(tǒng)

以往的電力系統(tǒng)二次裝置都是按照室內(nèi)的環(huán)境條件設(shè)計，由于變電站設(shè)備室良好的溫濕度環(huán)境和抗電磁干擾能力，可以保證這些二次設(shè)備的穩(wěn)定運行。而智能控制柜安裝在戶外條件下，需要提供更加優(yōu)良的運行環(huán)境。針對目前主流的三種環(huán)境控制方式的優(yōu)缺點，我們需要研究一套更加優(yōu)化的方案已適應戶外柜特殊的環(huán)境控制要求。

基于目前戶外柜所使用的環(huán)境控制方式的優(yōu)缺點，研究出了一套基于空調(diào)與風扇協(xié)同工作的戶外柜溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用空調(diào)、風機的自身優(yōu)勢，大大提高溫控系統(tǒng)的可靠性，并降低了系統(tǒng)能耗，延長系統(tǒng)使用壽命。

2.1 方案概述及操作原理

（1）該系統(tǒng)包括機柜、空調(diào)、若干風機、以及一個與風扇配套的電動百葉窗。

（2）更進一步，所述電動百葉窗安裝在鈑金折彎盒中，組成電動百葉窗模塊；所述風機安裝在風機安裝板上，組成風機模塊；所述鈑金折彎盒安裝于風機安裝板上，電動百葉窗、鈑金折彎盒、風機、風機安裝板組成獨立的強迫風冷模塊。

（3）更進一步，所述機柜為雙層殼體結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)層殼體和外層殼體；所述強迫風冷模塊吊裝于機柜內(nèi)層頂板上，通過螺釘連接。

（4）更進一步，所述電動百葉窗為所述風機的進風口，所述內(nèi)層頂板與外層頂罩的架空空間為所述風機的出風口。

（5）更進一步，所述電動百葉窗包括葉片、電機、連接條、窗框；所述葉片具有凝露積水槽；所述窗框具有承接葉片凝露積水的引水槽；所述電機驅(qū)動連接條運動，所述連接條串接所有葉片，驅(qū)動百葉窗的開啟與關(guān)閉。

（6）更進一步，所述空調(diào)選用帶有除濕功能的壁掛式機柜空調(diào)，可安裝于機柜后門或側(cè)板上。空調(diào)可根據(jù)當?shù)貪穸惹闆r選擇一般的除濕空調(diào),也可選擇除濕性能強勁的轉(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng).空調(diào)在制冷的過程中,空氣中多余的水汽會以冷凝水的形式析出,從而達到除濕的作用.轉(zhuǎn)輪除濕原理是利用硅膠,氯化鋰等除濕劑吸附空氣中的水汽以達到除濕的功能。

2.2 控制邏輯

由于現(xiàn)在的智能變電站大多是無人值班甚至是無人值守變電站，要求智能控制柜在日常運行中能自動調(diào)節(jié)控制柜內(nèi)運行環(huán)境，并及時準確將柜內(nèi)運行環(huán)境狀態(tài)進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)上傳。因此，智能控制柜需采用智能化集成式設(shè)計，通過配置智能溫濕度控制系統(tǒng)實現(xiàn)對柜內(nèi)運行環(huán)境的實時調(diào)節(jié)、控制，并具備將環(huán)境參數(shù)信息實時上傳的能力，即智能溫濕度控制裝置可對柜體內(nèi)部環(huán)境溫度、環(huán)境濕度，溫控電源、風扇狀態(tài)、加熱除濕狀態(tài)等信息進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)上傳，保證后臺運行人員能隨時了解和記錄柜體內(nèi)部環(huán)境，并在風扇卡死損壞等故障情況下的時候采取人工干預措施。本系統(tǒng)控制邏輯如下:當柜內(nèi)環(huán)境溫度首次達到35℃時，啟動風扇，經(jīng)一定時間（5分30秒）后，讀取柜內(nèi)環(huán)境溫度。如溫度降低32℃以下（風扇3℃回差），則風扇停機。如溫度仍不低于35℃，則啟動空調(diào)進行降溫，同時風扇停機。如柜內(nèi)溫度降低至30℃以下（空調(diào)5℃回差），則空調(diào)停機。

與當前環(huán)境控制方式的對比：本方案的基于空調(diào)與風機協(xié)同工作的戶外柜散熱系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點如下：（1）與強迫風冷的方式對比：1.本方案在環(huán)境溫度過高、或過低時，均具有很好的溫度調(diào)節(jié)能力。2.防護等級有很大提高，當風扇停止工作時，機柜內(nèi)部為封閉環(huán)境。3.雙散熱系統(tǒng)，可靠性更高。（2）與熱交換器散熱方式對比：熱交換器散熱方式，不具備低溫加熱功能。熱交換器散熱方式，柜內(nèi)溫度適中高于柜外空氣溫度，當環(huán)境溫度過高時，散熱性能大大降低。

3 本方案雙散熱系統(tǒng)，可靠性更高

與空調(diào)器溫控方式對比：由于環(huán)境溫度處于高溫、或低溫的時間，空調(diào)才工作，因此本方案的能耗大大降低。

可靠性更高，空調(diào)、與風扇交替工作，將減少空調(diào)自身故障率，且本方案為雙散熱系統(tǒng)，二者互為備用。

（1）高溫實驗驗證將裝有空調(diào)與風扇協(xié)同工作溫控系統(tǒng)的智能戶外柜放置在常溫和高溫環(huán)境下，采用FLUKE2620A數(shù)據(jù)采集器各個探頭采集并記錄柜內(nèi)各點的溫度。

（2）溫度采集點布置

機柜內(nèi)部溫控系統(tǒng)配置的溫度傳感器位于機柜背面右上方緊挨空氣開關(guān)，圖1所示紅色圈內(nèi)。

圖1

（3）溫度采集結(jié)果及分析常溫下測得的戶外柜溫度曲線分布圖 （2014.8.19 19：30～2014.8.20 15：30）

圖2

圖3 截取某一段時間內(nèi)的溫度曲線

說明：

1）10號、14號采集點為柜頂和柜底部環(huán)境溫度。圖2所示，曲線顯示環(huán)境溫度23℃～27℃,符合夏季高溫夜間溫度實際情況；14號采集點為柜下方環(huán)境溫度，略低于10號采集點的柜上方環(huán)境溫度，也符合熱力學原理。

2）7、9號采集點為第三和第一層裝置的溫度。圖2所示，曲線顯示裝置內(nèi)部環(huán)境溫度在35±6℃區(qū)間波動,符合溫控系統(tǒng)的設(shè)定,表明溫控系統(tǒng)工作正常；7號采集點位置較低，溫度明顯低于9號采集點，說明隨著裝置高度的提高，其周邊環(huán)境溫度也相應提高，在工程設(shè)計時可考慮將發(fā)熱量較大的裝置安裝在較低的位置。

3）12號采集點為風扇上部盲區(qū)的溫度，圖2所示，最高41℃，說明在風扇工作無法影響的區(qū)域，溫度相對較高；

4）5號采集點為傳感器附近的溫度，由圖3可知：當傳感器附近溫度達到35℃時，溫度曲線上升變緩慢，說明風扇在35℃時已啟動，并對柜內(nèi)溫度產(chǎn)生影響。但溫度扔不下降，說明風扇無法將柜內(nèi)環(huán)境溫度控制在35℃以下，經(jīng)過預設(shè)的時間間隔后，溫度明顯下降，說明系統(tǒng)控制空調(diào)啟動，曲線顯示當?shù)陀?0℃時，溫度又迅速回升。這是因為根據(jù)設(shè)定，當溫度低于30℃時空調(diào)會自動關(guān)閉而導致柜內(nèi)溫度上升。

通過上述數(shù)據(jù)分析說明，柜內(nèi)溫度的變化符合環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計的控制邏輯，且裝置工作區(qū)域溫度范圍在27℃-37℃之間，也符合預期的要求。環(huán)境控制系統(tǒng)工作正常且有效。

圖4 截取某一段時間內(nèi)的溫度曲線

說明：

1）10號、14號采集點為柜頂和柜底部環(huán)境溫度。曲線顯示大部分時間環(huán)境溫度在43℃～53℃,；14號采集點為柜下方環(huán)境溫度，略低于10號采集點的柜上方環(huán)境溫度，也符合熱力學原理。

2）7、9號采集點為第三和第一層裝置的溫度。曲線顯示裝置內(nèi)部環(huán)境溫度在35±6℃區(qū)間波動,符合溫控系統(tǒng)的設(shè)定,表明溫控系統(tǒng)在外部環(huán)境處于超高溫狀態(tài)時，也能工作正常，保證柜內(nèi)裝置的環(huán)境溫度處于預期的狀態(tài)下。其中7號采集點位置較低，溫度明顯低于9號采集點，說明隨著裝置高度的提高，其周邊環(huán)境溫度也相應提高，在工程設(shè)計時可考慮將發(fā)熱量較大的裝置安裝在較低的位置。

3）12號采集點為風扇上部盲區(qū)的溫度，5號采集點為傳感器附近的溫度，兩處溫度曲線基本重合，處于40±2℃的區(qū)間，即在環(huán)境溫度超高的狀態(tài)下，風扇盲區(qū)溫度與傳感器附近溫度基本一致。說明在此溫度狀態(tài)下，風扇基本處于不工作的狀態(tài)，主要依靠空調(diào)進行環(huán)境控制。

4）1號采集點為空調(diào)出風口溫度，溫度區(qū)間為23℃-35℃，說明當空調(diào)啟動時，出風口溫度為35℃，當空調(diào)停機時，出風口溫度為23℃。

5）由圖4可知：當傳感器附近溫度達到38℃時，空調(diào)啟動，由于出風口溫度35℃，仍處于較高的溫度，空調(diào)對機柜的降溫作用存在滯后現(xiàn)象，當傳感器溫度達到42℃時，柜內(nèi)溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時7號、9號采集點的裝置位置環(huán)境溫度在35±6℃區(qū)間，符合預期要求。

通過上述數(shù)據(jù)分析說明，柜內(nèi)溫度的變化符合環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計的控制邏輯，且裝置工作區(qū)域溫度范圍在35±6℃區(qū)間，也符合預期的要求。環(huán)境控制系統(tǒng)工作正常且有效。

通過溫度分布曲線，圖表及分析，表明裝有風扇空調(diào)協(xié)同工作溫控系統(tǒng)的智能戶外柜能在環(huán)境溫度達到53℃的惡劣情況下，仍然能將柜內(nèi)設(shè)備運行環(huán)境溫度控制在45℃以下，提供滿足DL/T478-2010所規(guī)定-10℃～+55℃的大氣環(huán)境溫度條件，保障柜內(nèi)繼電保護設(shè)備的可靠運行，同時風扇空調(diào)能按照控制邏輯正常切換，降低能耗。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)以往戶外柜環(huán)境控制方式，分析現(xiàn)有方式的優(yōu)缺點，研究出了一種基于空調(diào)和風扇協(xié)同工作的溫控系統(tǒng)，大大提高了戶外柜溫控系統(tǒng)的可靠性，并降低了系統(tǒng)能耗，延長系統(tǒng)使用壽命。并且經(jīng)過高溫實驗論證，本系統(tǒng)安全可靠，達到溫控目標。