變電站戶外智能控制柜綜合環境控制應用

任水華 陳恒松 李 濤

（國網蕪湖供電公司，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。智能控制柜的全環境適應性、完備的信息交互、高可靠易維護性、高性價比節能設計都會對智能變電站安全運行和經濟節能環保產生深刻影響。通過本項目對智能控制柜運行環境控制技術的專項研究，引入合理有效的散熱設計、溫濕度智能控制系統，使得智能控制柜在溫濕度控制、節能環保等各方面性能有顯著的提升。

依據國網《智能變電站繼電保護技術規范》相關要求，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、合并單元等設備對環境溫濕度、抗電磁干擾能力等要求較高，當它們集中布置于二次設備室時，由于二次設備室良好的溫濕度環境和抗電磁干擾能力，可以保證這些二次設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備場地，就地化布置時，外部的溫濕度環境和電磁干擾影響都遠比二次設備室惡劣，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），實現柜內外空氣的對流，將室內熱空氣排到室外，同時將室外的冷空氣排入室內，實現柜內熱量的轉移。

優點：（1）風機結構簡單，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部，容易積聚粉塵等污垢，并污染柜內的元器件，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溫度的柜外空氣，通過熱交換芯進行有效交換，把柜內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空氣在風機的驅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。

優點：（1）防護等級高，排除了濕度、灰塵對柜內可能產生的污染，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是熱傳導，因此柜內溫度總是高于環境溫度，夏天環境溫度過高時，將導致柜內溫度過高；（2）熱交換器風扇只能散熱降溫，冬天環境溫度過低，不能給機柜加熱升溫。

1.3 空調器溫控方式

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

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

缺點：能耗高。

2 一種基于空調與風扇協同工作的戶外柜溫控系統

以往的電力系統二次裝置都是按照室內的環境條件設計，由于變電站設備室良好的溫濕度環境和抗電磁干擾能力，可以保證這些二次設備的穩定運行。而智能控制柜安裝在戶外條件下，需要提供更加優良的運行環境。針對目前主流的三種環境控制方式的優缺點，我們需要研究一套更加優化的方案已適應戶外柜特殊的環境控制要求。

基于目前戶外柜所使用的環境控制方式的優缺點，研究出了一套基于空調與風扇協同工作的戶外柜溫控系統。該系統充分利用空調、風機的自身優勢，大大提高溫控系統的可靠性，并降低了系統能耗，延長系統使用壽命。

2.1 方案概述及操作原理

（1）該系統包括機柜、空調、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構，包括內層殼體和外層殼體；所述強迫風冷模塊吊裝于機柜內層頂板上，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；所述電機驅動連接條運動，所述連接條串接所有葉片，驅動百葉窗的開啟與關閉。

（6）更進一步，所述空調選用帶有除濕功能的壁掛式機柜空調，可安裝于機柜后門或側板上。空調可根據當地濕度情況選擇一般的除濕空調,也可選擇除濕性能強勁的轉輪空調系統.空調在制冷的過程中,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節控制柜內運行環境，并及時準確將柜內運行環境狀態進行實時監控和數據上傳。因此，智能控制柜需采用智能化集成式設計，通過配置智能溫濕度控制系統實現對柜內運行環境的實時調節、控制，并具備將環境參數信息實時上傳的能力，即智能溫濕度控制裝置可對柜體內部環境溫度、環境濕度，溫控電源、風扇狀態、加熱除濕狀態等信息進行實時監控和數據上傳，保證后臺運行人員能隨時了解和記錄柜體內部環境，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。本系統控制邏輯如下:當柜內環境溫度首次達到35℃時，啟動風扇，經一定時間（5分30秒）后，讀取柜內環境溫度。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℃，則啟動空調進行降溫，同時風扇停機。如柜內溫度降低至30℃以下（空調5℃回差），則空調停機。

與當前環境控制方式的對比：本方案的基于空調與風機協同工作的戶外柜散熱系統，與現有技術相比，優點如下：（1）與強迫風冷的方式對比：1.本方案在環境溫度過高、或過低時，均具有很好的溫度調節能力。2.防護等級有很大提高，當風扇停止工作時，機柜內部為封閉環境。3.雙散熱系統，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，柜內溫度適中高于柜外空氣溫度，當環境溫度過高時，散熱性能大大降低。

3 本方案雙散熱系統，可靠性更高

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

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

（1）高溫實驗驗證將裝有空調與風扇協同工作溫控系統的智能戶外柜放置在常溫和高溫環境下，采用FLUKE2620A數據采集器各個探頭采集并記錄柜內各點的溫度。

（2）溫度采集點布置

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

圖1

（3）溫度采集結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 截取某一段時間內的溫度曲線

說明：

1）10號、14號采集點為柜頂和柜底部環境溫度。圖2所示，曲線顯示環境溫度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境溫度，略低于10號采集點的柜上方環境溫度，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，曲線顯示裝置內部環境溫度在35±6℃區間波動,符合溫控系統的設定,表明溫控系統工作正常；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，其周邊環境溫度也相應提高，在工程設計時可考慮將發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的溫度，圖2所示，最高41℃，說明在風扇工作無法影響的區域，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，并對柜內溫度產生影響。但溫度扔不下降，說明風扇無法將柜內環境溫度控制在35℃以下，經過預設的時間間隔后，溫度明顯下降，說明系統控制空調啟動，曲線顯示當低于30℃時，溫度又迅速回升。這是因為根據設定，當溫度低于30℃時空調會自動關閉而導致柜內溫度上升。

通過上述數據分析說明，柜內溫度的變化符合環境控制系統設計的控制邏輯，且裝置工作區域溫度范圍在27℃-37℃之間，也符合預期的要求。環境控制系統工作正常且有效。

圖4 截取某一段時間內的溫度曲線

說明：

1）10號、14號采集點為柜頂和柜底部環境溫度。曲線顯示大部分時間環境溫度在43℃～53℃,；14號采集點為柜下方環境溫度，略低于10號采集點的柜上方環境溫度，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。曲線顯示裝置內部環境溫度在35±6℃區間波動,符合溫控系統的設定,表明溫控系統在外部環境處于超高溫狀態時，也能工作正常，保證柜內裝置的環境溫度處于預期的狀態下。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，其周邊環境溫度也相應提高，在工程設計時可考慮將發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℃的區間，即在環境溫度超高的狀態下，風扇盲區溫度與傳感器附近溫度基本一致。說明在此溫度狀態下，風扇基本處于不工作的狀態，主要依靠空調進行環境控制。

4）1號采集點為空調出風口溫度，溫度區間為23℃-35℃，說明當空調啟動時，出風口溫度為35℃，當空調停機時，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，空調啟動，由于出風口溫度35℃，仍處于較高的溫度，空調對機柜的降溫作用存在滯后現象，當傳感器溫度達到42℃時，柜內溫度達到穩定狀態，此時7號、9號采集點的裝置位置環境溫度在35±6℃區間，符合預期要求。

通過上述數據分析說明，柜內溫度的變化符合環境控制系統設計的控制邏輯，且裝置工作區域溫度范圍在35±6℃區間，也符合預期的要求。環境控制系統工作正常且有效。

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

4 結束語

本文總結以往戶外柜環境控制方式，分析現有方式的優缺點，研究出了一種基于空調和風扇協同工作的溫控系統，大大提高了戶外柜溫控系統的可靠性，并降低了系統能耗，延長系統使用壽命。并且經過高溫實驗論證，本系統安全可靠，達到溫控目標。