智能變電站戶外智能控制柜設(shè)計研究

趙利軍

摘 要：智能變電站中智能IED設(shè)備需戶外就地安裝，在主控室外，溫度、濕度、日照、雨水等大氣環(huán)境的影響以及一次設(shè)備帶來的電磁干擾必須加以重視并進行充分的試驗考核，設(shè)計戶外智能控制柜就是要由柜體本身來承擔(dān)和消除由這些差異帶來對終端及保護等自動化裝置不利影響，即必須為這些設(shè)備提供接近室內(nèi)的工作環(huán)境，提供全方位的防護，從而保證自動化設(shè)備及其他普通電氣設(shè)備在戶外條件下的正常運轉(zhuǎn)和工作。

關(guān)鍵詞：智能變電站；戶外柜；智能控制

1 成果特點

本設(shè)計課題是研究在智能變電站要求保護就地化安裝的戶外條件下，如何創(chuàng)造一個在保障現(xiàn)有的保護等安全、可靠地運行環(huán)境，就是要研究在戶外使用的智能終端及保護等自動化裝置與戶內(nèi)使用有著完全不同的條件差異。智能變電站中智能IED設(shè)備需戶外就地安裝，在主控室外，溫度、濕度、日照、雨水等大氣環(huán)境的影響以及一次設(shè)備帶來的電磁干擾必須加以重視并進行充分的試驗考核，設(shè)計戶外智能控制柜就是要由柜體本身來承擔(dān)和消除由這些差異帶來對終端及保護等自動化裝置不利影響，即必須為這些設(shè)備提供接近室內(nèi)的工作環(huán)境，提供全方位的防護，從而保證自動化設(shè)備及其他普通電氣設(shè)備在戶外條件下的正常運轉(zhuǎn)和工作。

本設(shè)計課題核心工作中戶外智能控制柜采用雙層殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效的將機柜內(nèi)部和外部的熱量傳遞進行隔離，為后續(xù)的柜內(nèi)環(huán)境控制設(shè)計和機柜防護設(shè)計打下了基礎(chǔ)。采用了強迫通風(fēng)散熱設(shè)計和創(chuàng)新的機柜防護技術(shù)，以低成本的模式，即完成了高防護水平要求又完成了通風(fēng)散熱要求的同步實現(xiàn)，徹底解決了長期困擾結(jié)構(gòu)設(shè)計的防護能力與通風(fēng)散熱這一對矛盾，使機柜的防護能力達到了IP56。

（1）戶外柜采用防護水平IP56，EMC水平為2級；高性價比、低功耗的節(jié)能設(shè)計；全環(huán)境適應(yīng)能力，能適應(yīng)全國各地各種氣候條件；完備的信息交互，順應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展潮流；高可靠、免維護，為用戶提供超值的應(yīng)用價值和無后憂便利條件。

（2）雙層柜體設(shè)計，既支持機柜的內(nèi)部熱交換并可以減少陽光照射的影響，也可以提高機柜的防護等級。機柜利用了在一般大氣條件下，同為流體的空氣和水在受地球重力影響不同的特性，在機柜上所有進、出風(fēng)通道上，創(chuàng)新的設(shè)計了迷宮式多重防水（M型防水）技術(shù)，為機柜達到IP56的防護等級創(chuàng)造了條件。

（3）開創(chuàng)了用低成本、高可靠、低能耗的強迫風(fēng)冷技術(shù)進行環(huán)境調(diào)節(jié)，同時能達到高的防護等級。目前國內(nèi)外多采用的是高成本、低可靠、高能耗的空調(diào)和換熱器技術(shù)。

（4）高可靠、高性價比的戶外柜技術(shù)，為保護及智能單元等裝置的安全運行提供了全方位的保障。透明化的智能信息交互，使運行人員在后臺輕松獲取戶外柜系統(tǒng)的實時信息，簡化了操作。自動化的濾網(wǎng)除塵系統(tǒng)，減少了現(xiàn)場運行人員的人力資源，降低了運行料耗和成本。

2 戶外智能控制柜運行環(huán)境優(yōu)化措施設(shè)計課題研究

中國的國土幅員遼闊，氣候特征是氣象萬千，不同地域的環(huán)境條件差異很大。比如說中國北方冬天氣溫嚴(yán)寒，中國南方夏季高溫日照灼熱，西部的沙塵，東南部的潮濕和臺風(fēng)加強降雨等。另外空氣中的污染物，像酸雨、鹽霧、工業(yè)粉塵，以及電磁干擾，時刻都會對戶外設(shè)備帶來有害影響。因此，變電站戶外智能控制柜就必須針對上述有害條件進行一體化整體設(shè)計，以達到保護柜內(nèi)受保護的設(shè)備正常運行的目的。

另外，在和戶外柜配合方面，也有一些值得研究的內(nèi)容，比如智能溫控系統(tǒng)要確保環(huán)境參數(shù)信息實時上傳能力：智能溫控裝置對柜體內(nèi)部環(huán)境溫度、環(huán)境濕度，溫控電源、風(fēng)扇狀態(tài)、加熱除濕狀態(tài)的實時監(jiān)控和信息上傳能力，保證運行人員能隨時了解和記錄柜體內(nèi)部環(huán)境，并在風(fēng)扇卡死或加熱器損壞等故障情況下的時候采取人工干預(yù)措施等。綜合概括有如下幾個方面：

（1）高的防護等級：在不依賴額外的防護條件，僅通過通風(fēng)散熱，機柜就能為柜內(nèi)的自動化設(shè)備提供IP56的防護等級，為柜內(nèi)設(shè)備提供更加潔凈的運行環(huán)境。機柜對柜內(nèi)的溫度控制滿足下面第二條的要求，用簡潔低成本的方式即滿足高防護等級。

（2）智能化的柜內(nèi)溫度控制系統(tǒng)：機柜應(yīng)用戶外的極端自然環(huán)境溫度-40℃～+45℃（同時伴有強烈日照）下，機柜須采取必要的隔熱和通風(fēng)散熱措施，再配以柜內(nèi)溫度控制系統(tǒng)，有效地隔離柜內(nèi)外熱傳導(dǎo)，并將柜內(nèi)設(shè)備工作產(chǎn)生的熱量及時排出柜外，應(yīng)能使柜內(nèi)環(huán)境溫度在0℃～+45℃之間。

（3）高水平的EMC性能：機柜結(jié)構(gòu)的EMC設(shè)計包括電磁屏蔽、功能性接地和靜電放電防護。為了滿足電氣的抗干擾要求，機柜整體必須具備可靠接地的能力，并且機柜的整體電磁屏蔽性能要好。每個重要的設(shè)備之間必須用電磁屏蔽板隔開，電磁屏蔽板又必須與機柜間達成可靠的電氣連接（即等電位要求）。

（4）持久的耐腐蝕和抗生化能力：機柜除了能隔離有害氣體和物質(zhì)進入機柜內(nèi)部，還要阻止動物（嚙齒動物、白蟻）與真菌進入機柜，保護功能設(shè)備免受這些生物的傷害。

（5）堅固耐用柜體和模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計：機柜采用雙層殼體設(shè)計，由內(nèi)柜、防水頂蓋、底座、雙層側(cè)板和雙層前后柜門組成，柜體采用拼裝與焊接混合式結(jié)構(gòu)。柜門由多點鉸鏈與機柜進行連接，柜門鎖與柜體采用多點鎖定。

（6）精良的制造工藝和美觀大方的造型：好的設(shè)計還需經(jīng)優(yōu)良的加工工藝來保證，特別是不銹鋼的加工及焊接工藝極為講究。不銹鋼板材在加工和焊接上要求比普通碳鋼高而且難度大，尤其是用于機柜外表的不銹鋼板是帶裝飾性的拉絲板，當(dāng)采用免涂覆裸鋼板的工藝方案后，則必須消除不銹鋼板材的鈑金加工痕跡，不銹鋼焊縫不能影響板材的拉絲紋理。加工后的免涂覆不銹鋼還必須做到能防灰塵和油污以及人手指印痕的污染，當(dāng)產(chǎn)生了上述的污染后，應(yīng)能輕易地去除。

圖2戶外柜強迫風(fēng)冷環(huán)境控制工作原理。該型戶外柜具有對外部環(huán)境一定的隔離功能，雙層柜體設(shè)計，防塵、防水、防太陽輻射。其工作模式為，當(dāng)柜內(nèi)溫度上升到某一溫度時，柜內(nèi)風(fēng)扇啟動，柜外新鮮空氣經(jīng)過濾后由機柜下層進入柜內(nèi)，將柜內(nèi)熱氣從機柜上部排出到柜外，使機柜內(nèi)部的溫濕度控制在一定范圍內(nèi)。

在抑止凝露的產(chǎn)生方面，特設(shè)計了集成在溫控器內(nèi)的溫濕度傳感器。凝露的發(fā)生機制是當(dāng)含有較高濕氣的空氣，在周圍環(huán)境降溫時，水汽就會在提前冷卻的金屬表面凝結(jié)，此時是由濕氣與環(huán)境溫度共同影響凝露的產(chǎn)生。因此，只要適當(dāng)?shù)乜刂瓶諝獾臐穸扰c環(huán)境溫度的相關(guān)關(guān)系，即可解決凝露問題。例如在含有較高濕氣的環(huán)境下，隨著溫度的降低，空氣中的濕氣匯漸漸趨向飽和狀態(tài)，此時溫濕度傳感器探知凝露即將方式，自動接通柜內(nèi)加熱器，使?jié)駳庵械乃肿討?yīng)加熱而重新回到活躍狀態(tài)，終止了凝露的發(fā)生。同時，風(fēng)機啟動，將經(jīng)加熱的濕氣排出柜外。

3 戶外智能控制柜運行環(huán)境優(yōu)化措施方案研究

目前國內(nèi)外在智能戶外柜的環(huán)境控制上有如下3個技術(shù)模式：（1）空調(diào)冷卻技術(shù)；（2）熱交換器技術(shù)；（3）強迫風(fēng)冷技術(shù)。

上述方案在設(shè)計性能、運行可靠性、生產(chǎn)成本、節(jié)能環(huán)保、后期維護等方面存在較大差異。

3.1 空調(diào)冷卻技術(shù)

空調(diào)的優(yōu)點是溫控效果好，可有效的將柜內(nèi)溫度控制在相對溫度的狀態(tài)。它是唯一一種能將智能柜內(nèi)環(huán)境溫度降得比周圍大氣溫度低的模式，但其缺點是價格昂貴、能耗高，不符合當(dāng)前綠色環(huán)保的科技主題。同時，空調(diào)有一定的損壞率，一般空調(diào)廠家對戶外空調(diào)的質(zhì)保承諾均為1年，如空調(diào)發(fā)生故障，不僅現(xiàn)場維護困難，且由于沒有冗余設(shè)計，會使柜內(nèi)溫控系統(tǒng)失效，產(chǎn)生重大安全隱患。見圖3。

3.2 熱交換器技術(shù)

熱交換器技術(shù)-此方案采用熱交換器來進行對機柜內(nèi)部工作環(huán)境進行調(diào)節(jié)，防護等級可做到IP66。但該方案的價格較高，能耗低，但其熱交換散熱效率低、熱傳遞方向不受控。

特別是如果調(diào)試時空氣濕度較大，則當(dāng)柜門關(guān)閉后，潮濕的空氣將始終在柜內(nèi)循環(huán)，導(dǎo)致濕氣無法散出柜外，當(dāng)白天溫度較高時，水蒸氣溶解在空氣中，而夜晚溫度較低的情況下，潮濕的空氣極易產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，對柜內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

從圖4中可以看出，熱交換器式戶外智能控制柜環(huán)境控制系統(tǒng)采用的二次循環(huán)，分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)，內(nèi)外循環(huán)是相互隔離的。

在可靠性方面，負(fù)責(zé)驅(qū)動內(nèi)、外循環(huán)的兩個風(fēng)扇電機，是屬于串行工作模式的，當(dāng)其中任何一只出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就失效。

熱交換器參數(shù)：換熱系數(shù)為80W/Km2；外部環(huán)境溫度39℃；裝置功耗4X37.5W；太陽輻射1100W/m2

見圖5所示，機柜內(nèi)部上層空間的溫度達到了74℃。

3.3 強迫風(fēng)冷技術(shù)

強迫風(fēng)冷散熱技術(shù)是屬于直接散熱技術(shù)，他是將柜外冷空氣直接輸送到柜內(nèi)，再將發(fā)熱設(shè)備進行冷卻后形成的熱空氣直接排除柜外。如圖6所示

在這里最關(guān)鍵的是保證機柜進出空氣的通風(fēng)孔的防水和防塵設(shè)計上，同時還要做到空氣過濾裝置的自動除塵和免維護。

如圖6所示：

從圖6中可以看出，強迫風(fēng)冷式戶外智能控制柜環(huán)境控制系統(tǒng)是將柜外的冷空氣直接吸入柜內(nèi)，當(dāng)然冷空氣在進入機柜是已被過濾裝置過濾了的。

在可靠性方面，負(fù)責(zé)驅(qū)動機柜頂部排氣的兩個風(fēng)扇電機，是屬于并行工作模式的，當(dāng)其中任何一只出現(xiàn)故障，另一只可繼續(xù)工作。而機柜在設(shè)計上就選定的只憑一臺風(fēng)扇，機柜即可正常工作。

見圖7所示，機柜內(nèi)部上層空間的溫度僅有44℃。

3.4 結(jié)論

經(jīng)過綜合對比分析，選擇的是強迫風(fēng)冷技術(shù)。強迫風(fēng)冷散熱技術(shù)是屬于直接散熱技術(shù)，他是將柜外冷空氣直接輸送到柜內(nèi)，再將發(fā)熱設(shè)備進行冷卻后形成的熱空氣直接排除柜外。

在這里最關(guān)鍵的是保證機柜進出空氣通風(fēng)孔的防水和防塵設(shè)計上，同時還要做到空氣過濾裝置的自動除塵和免維護。

4 相關(guān)配套技術(shù)

4.1 迷宮式多重防水戶外機柜技術(shù)

由于空氣與水受重力影響的不同特性，采用多重插指型防水結(jié)構(gòu)，使得外部的水經(jīng)過多次折射后無法流入柜頂?shù)耐L(fēng)口，而是自機柜四周的泄水槽排除柜外。同時由于空氣不受該結(jié)構(gòu)的影響，仍可自由的排除柜外，從而達到防水的效果，經(jīng)試驗防護等級可達IP56，即可防止圖示角度的猛烈噴水進入柜內(nèi)。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)沙大，冰雪顆粒細(xì)小等極端氣候條件時也可為柜內(nèi)裝置提供可靠的防護。

4.2 空氣濾網(wǎng)積塵的自動除塵系統(tǒng)技術(shù)

智能化自動控制空氣濾網(wǎng)積塵的除塵設(shè)計。具體是在濾網(wǎng)的指定位置，將由電源驅(qū)動的振動源所產(chǎn)生的振動作用在濾網(wǎng)上，振動源可由壓電陶瓷、電磁線圈或帶偏心塊的電機等器件所組成。當(dāng)提供振動源以一定的電力時，振動源驅(qū)動濾網(wǎng)產(chǎn)生振動。當(dāng)濾網(wǎng)灰塵聚積到一定程度需除塵時，智能控制模塊會接通濾網(wǎng)上的振動源的工作電源，振動源工作將聚積在濾網(wǎng)上的灰塵振落；智能控制模塊適時地控制風(fēng)機以提供反向氣流，將振落的灰塵吹離濾網(wǎng)，從而達到除塵效果。智能化自動控制空氣濾網(wǎng)積塵的除塵系統(tǒng)有如下兩種控制模式。（1）開環(huán)控制，既在智能控制模塊中預(yù)先設(shè)定除塵時間控制程序，振動源會按程序的設(shè)定起動，風(fēng)機工作狀態(tài)也會按程序的設(shè)定進行調(diào)整。（2）閉環(huán)控制。在濾網(wǎng)上（或周圍）安置空氣流量探頭或灰塵感應(yīng)器，當(dāng)這些傳感器探查到灰塵聚積到一定程度時，智能控制模塊就會起動振動源和改變風(fēng)機工作狀態(tài)。（3）新的空氣濾網(wǎng)積塵的除塵設(shè)計就是濾網(wǎng)（棉、器）自身的智能自動化除塵，實現(xiàn)了濾網(wǎng)的免維護和免更換，除塵效果好，達到了節(jié)省人力資源和材料的目的。

4.3 完備的信息交互能力

創(chuàng)新的智能溫控裝置設(shè)計，對柜體內(nèi)部環(huán)境溫度、環(huán)境濕度，溫控電源、風(fēng)扇狀態(tài)、加熱除濕狀態(tài)的實時監(jiān)控和信息上傳能力，保證運行人員在后臺能隨時了解和記錄柜體內(nèi)部環(huán)境，實現(xiàn)了機柜及柜內(nèi)工作環(huán)境及工作狀態(tài)的后臺可視化。