應用太陽能與半導體技術散熱的智能終端柜的研制與應用

邱子平，吳雪峰，周國慶，劉 毅

（國網浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321001）

智能終端裝置是智能化變電站不可缺少的二次設備之一，所有一次設備的信息量采集后均由智能終端通過光纖傳至監控中心，它的可靠性直接影響著變電站安全穩定運行。但傳統設備柜體的散熱效果較差，溫度過高使智能終端設備的缺陷發生率居高不下。

近年來，太陽能發電技術與半導體材料應用技術不斷發展，為太陽能電池組件與半導體制冷的應用提供了可行性。通過采用太陽能電池組件供電，利用半導體材料的熱電效應為智能終端柜調節溫度，將改變傳統的溫度調節方式，設計了一種采用太陽能與半導體技術降溫的智能終端柜。

1 智能終端柜運行現狀

1.1 現有散熱方式

變電站的戶外端子箱一般采用空氣直接交換降溫。傳統變電站場地端子箱內為電纜及端子排，沒有電子設備，自身不會產生熱量；而智能變電站智能終端設備就地放置在端子箱內，智能終端設備運行時發熱，其產生的熱量使柜內溫度比環境室溫高20℃以上。通過柜頂部加裝的2臺大功率風扇，將熱量從柜頂散熱風窗排出。

在6—9月份夏季高溫季節，智能終端柜內溫度普遍超過40℃，最高達55℃，而電子設備正常運行的理想環境溫度為-5℃～40℃，采用風扇直接交換降溫法只能使柜內溫度降低5℃左右，嚴重影響設備的安全穩定運行。

1.2 缺陷統計分析

以500kV芝堰變電站為例，自2009年7月投入運行以來，共產生二次系統缺陷133個，其中由于智能終端柜溫度過高產生的相關故障為25個，占18%，發生率較高，嚴重影響日常穩定運行，最嚴重時曾引起萬松Ⅰ與Ⅱ線第1套智能終端PSIU發“SPI（子模件通信）異常”信號，現場不能復歸。

2 新型智能終端柜的設計

2.1 設計思路

按照功能劃分為太陽能發電系統、溫度控制系統、半導體制冷片。太陽能電池組件為半導體制冷片提供電能，太陽能控制器用于控制太陽能發電系統的工作狀態。在太陽能電池組件工作時對蓄電池進行浮充，在太陽能電池組件無法工作時輸出蓄電池中儲存的電能，并保護太陽能電池組件與蓄電池。

溫度控制系統用于控制半導體制冷片的運行。溫度傳感器將感應到的溫度轉換成電壓輸入溫度控制器，如果溫度超出溫度控制器設定的溫度上限或下限，則導通交流接觸器的常開主接點，使半導體材料制冷或制熱。半導體制冷片的熱端需要散熱，散熱效果越好，其冷端的制冷效果越好。因此，在半導體制冷片的熱端加裝散熱片。

2.2 裝置組成

太陽能電池組件、蓄電池、太陽能控制器、半導體制冷片等的位置見圖1，電氣接線見圖2。太陽能電池板由125塊單晶電池片組成，太陽能電池組件由2塊太陽能電池板并聯組成。

智能終端柜上設有若干半導體制冷片，半導體制冷片固定在智能終端柜上的一端，設有散熱片，智能終端柜的外壁上設有開口，散熱片固定在開口處的外壁上，半導體制冷片設在開口中且半導體制冷片固定在智能終端柜上的一端與散熱片貼合，半導體制冷片的兩端和散熱片上與半導體制冷片的連接端均有導熱硅膠。散熱片采用翅式結構。

太陽能電池組件安裝在智能終端柜外殼的上方，智能終端柜內部設有卡槽，太陽能控制器、溫/濕度傳感器、溫/濕度控制器、交流接觸器固定在智能終端柜內部的卡槽上。

2.3 技術參數

圖1 組成結構

圖2 電氣接線

太陽能控制器采用PWM（脈寬調制）充電模式，具有太陽能電池防反接、蓄電池防反接、蓄電池過充/過放保護、負載過載短路保護、防雷等保護功能。太陽能電池組件轉換效率為17%左右，峰值功率為120 W，最佳工作電壓為18.8 V，最大工作電流為5.4 A；太陽能控制器的輸入額定電流為20 A，蓄電池組標稱電壓為12.8 V，標稱容量為20 Ah；溫/濕度控制器輸入電壓為AC 220 V，輸出電壓為AC 220 V，溫度測量精度為±1℃，溫度控制為0～75℃。交流接觸器額定電壓為AC 220 V；半導體制冷片實際工作電壓為12 V，最大制冷功率為54.1 W，最大溫差為67℃。

3 應用效果

3.1 技術特點

與普通的戶外端子箱相比，新型智能終端柜具備下列特點：

（1）使用光伏發電技術，節能環保；

（2）使用半導體材料，利用其熱電轉換特性，使柜內溫度下降明顯；

（3）使用溫度傳感與控制電路，可以根據環境溫度靈活地調節柜內溫度。

3.2 降溫效果

如圖3所示，從新型智能終端柜與普通戶外端子箱在8與9月份高溫天氣的對比中可以看出，新型終端柜溫度調節效果明顯。

圖3 降溫效果對比

3.3 改進建議

（1）太陽能電池的功率與蓄電池的容量有限，如果長時間陰雨天氣將造成裝置無法正常工作，可以考慮光伏發電與普通直流供電的交替使用。

（2）安裝在柜頂的太陽能電板過重，可以考慮放置在場地上。

（3）設計時沒有考慮安裝在柜體兩側散熱片的防雨問題，應考慮加裝防雨罩。

4 結語

智能化變電站建設是未來電網技術的發展趨勢，推廣使用基于太陽能電板的半導體散熱智能終端柜，調節智能終端柜內溫度，可使設備缺陷發生率大幅降低，也釋放了大量搶修精力，對未來新上智能化變電站智能終端柜的溫度調節具有一定的實用價值。

[1]盛獻飛，吳雪峰，周滔滔，等.500kV數字化變電站擴建時的二次調試方案及安全措施[J].電力建設，2012，30（5）∶51-54.

[2]吳雪峰，邱子平，周國慶.降低數字化變電站智能終端柜溫度的方法[J].浙江電力，2011，31（6）∶63-65.

[3]吳雪峰，劉艷敏，施戰遼，等.數字化變電站智能終端柜降溫方案[J].水電能源科學，2012，30（5）∶158-160.