智能變電站戶外智能控制柜微環境控制系統運行分析

王成智，汪 洋，杜鎮安，葉龐琪，肖 繁,陳 可

（1.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；3.國網荊門供電公司，湖北 荊門 448000）

0 引言

智能變電站普遍采用過程層設備就地布置的形式，合并單元、智能終端以及在線監測裝置安裝于戶外智能控制柜中，面臨高溫度、高濕度、強電磁干擾等惡劣運行環境的挑戰[1-2]。溫濕度控制系統負責調節智能控制柜內環境溫度和濕度，是改善戶外智能設備運行環境的技術手段，其運行狀況對智能變電站安全運行有重大影響。近年來，湖北省相繼發生數起因智能匯控柜環境控制系統設備故障導致的二次設備損毀和一次設備強迫停運事件，該類設備的選型設計、運維管理等工作得到了各級管理和技術人員的高度重視。本文分析了內部環境對智能控制柜的運行影響，對比分析了常見環境控制方式的基本原理和優缺點，列出了現行制度和標準對環境控制的要求，調研分析了省內智能匯控柜的環境控制系統配置情況，指出了運行中存在的主要問題，提出了改進措施，對于提升智能匯控柜的運行安全穩定性具有一定的指導和借鑒意義。

1 智能控制柜微環境影響分析

智能控制柜微環境對二次設備作用的因素主要有高溫、低溫、濕度、氣壓等，其中對電氣元器件可靠性影響最為顯著的環境因素是高溫、高低溫變化、濕熱。高溫應力能使產品材料的結構、物理性質、電性能發生很大的變化，從而導致暫時或永久性損傷或失效。戶外二次設備多采用“開關電源+印制電路板”的設備形式，廣泛使用了電解電容、功率場效應管、二極管、磁性元件、芯片的基本元器件。在這些基本元器件中，電解電容是不可或缺的組成部分；隨著電解電容溫度的升高，其壽命將以指數形式呈現明顯衰減趨勢[3]。高低溫變化對電子產品也會產生一定影響，由于溫度漲落，在產品內部結構中產生循環應力應變，由此導致彎曲變形、裂紋或斷裂熱疲勞失效。濕度過大，大氣中的氧、二氧化碳等氣體或塵埃、鹽分等雜質的污染，會加劇產品的電化學腐蝕，且可能出現凝露現象，影響設備壽命。

根據調研結果，220 kV棗山變、110 kV高城變曾發生過因控制柜柜內溫度過高而導致的合并單元/智能終端損壞事件，一次設備受此影響發生非計劃停運；220 kV月陂、棗山變電站曾發生因溫度過高，導致的智能終端GOOSE斷鏈的事件，打開柜門通風散熱處理后，裝置恢復正常。高溫天氣，太陽直射導致智能控制柜面板發燙，長期的高溫易導致部分柜內塑料材料老化，多地智能控制柜的端子排、硬壓板、操作把手等塑料件發生脆裂。

2 相關標準與制度對溫濕度要求

為了保障智能控制柜內設備在一定周期內運行正常，行業、企業相關標準和部分管理制度對智能控制柜的溫濕度控制均有要求，具體要求見表1。

表1 溫濕度的控制要求Tab.1 Temperature and humidity control requirements

3 戶外智能控制柜溫濕度控制方式

3.1 風機型戶外智能控制柜

風機型戶外智能控制柜采用風扇冷卻方式，內部裝有風扇、加熱器等主要部件，降溫依靠風扇。通過風扇進行主動換氣，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抽入室內，實現柜內熱量的轉移。由于熱空氣集中在柜體上部，因此當風扇安裝于智能控制柜底部時，應向柜內送氣；當風扇安裝于智能控制柜頂部時，應從柜內抽氣。雖然風扇通風冷卻技術采用風扇對柜內空氣進行主動換氣，但是其熱量的傳輸方向依然是從溫度較高的柜內空氣向溫度較低的柜外空氣傳遞。根據這個傳遞的方向，風扇通風冷卻方式屬于被動式熱傳輸。風扇通風加快了這個被動式熱傳輸的過程，但不能使得柜內空氣溫度低于柜外空氣溫度。

風機型戶外智能控制柜優點是風機結構簡單，體積小，安裝、維護方便；能耗低；一次性投入成本低。缺點是:（1）受戶外氣溫影響較大，屬于被動冷卻，夏季高溫可能會導致戶外柜內部氣溫過高，一般柜內的氣溫會比柜外氣溫高出10℃；（2）風機散熱的戶外柜是一個開放的結構，需要和外界進行氣體交換，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、腐蝕柜內的元器件。因此，需要在進風口和出風口安裝過濾棉，而過濾棉需要定期的更換。一般來說，粉塵較多的地區不適合使用。

3.2 熱交換器型戶外智能控制柜

熱交換器型戶外智能控制柜采用熱交換器冷卻方式，內部裝有加熱器、風扇和散熱片等主要部件，降溫依靠風扇和散熱片。整個空氣的循環過程分為內循環和外循環，柜內空氣在熱交換器中的循環過程稱為內循環，柜外空氣在熱交換器中的循環過程稱為外循環。內循環和外循環的空氣100%隔離。不同溫度的內循環空氣和外循環空氣在各自風扇的驅動下利用由金屬材料制成的散熱片進行熱量交換，將熱量從溫度較高的柜內空氣傳遞給溫度較低的柜外溫度。根據這個熱量傳遞的方向，熱交換器冷卻方式屬于被動式熱傳輸。熱交換器利用風扇和散熱片加快了這個被動式熱傳輸的過程，但不能使得柜內空氣溫度低于柜外空氣溫度。柜內和柜外的空氣在100%隔離狀況下，以柜外的氣體作為冷源通過換熱器芯體將柜內的熱量換到柜外，完成對柜內氣溫的控制。

熱交換器型戶外智能控制柜優點：（1）能耗較低，一般是風扇直通風的1.5～2倍；（2）防護等級高，內外完全隔離柜內的空氣質量好，基本排除了灰塵對柜內可能產生的污染。缺點是：（1）由于熱交換器的本質是被動式熱傳輸，其冷卻效果也受柜體外部環境的影響，控制獨立性較差。夏天環境溫度過高時，將導致柜內溫度過高。柜內氣溫通常高于環境溫度10℃，當環境溫度較高時，柜內溫度可能會超過55℃；（2）熱交換器的散熱片需要定期的維護，否則隨著灰塵的積聚會導致換熱能力下降，可能造成隱患。

3.3 空調型戶外智能控制柜

空調型戶外智能控制柜進行制冷運行時，來自柜內機蒸發器的低壓、低溫制冷劑氣體被壓縮機吸入壓縮成高壓高溫氣體，排入柜外機冷凝器，通過風扇的作用，與室外的空氣進行熱交換而成為中溫中壓的制冷劑液體，經過毛細管的節流降壓、降溫后進入蒸發器，在室內機的風扇作用下，與室內需調節的空氣進行熱交換而成為低壓低溫的制冷劑氣體，如此周而復始地循環而達到制冷的目的[4-8]。

壓縮機將氣態的氟利昂壓縮為高溫高壓的液態氟利昂，然后送到冷凝器,散熱后成為常溫高壓的液態氟利昂。液態的氟利昂經毛細管，進入蒸發器（例如，民用空調的室內機），空間突然增大，壓力減小，液態的氟利昂就會汽化，變成氣態低溫的氟利昂，從而吸收大量的熱量，蒸發器就會變冷。室內機的風扇將室內的空氣從蒸發器中吹過，由于蒸發器的溫度低于室內空氣溫度，從而熱量從室內空氣傳遞到蒸發器中的氟利昂，最后室內機吹出來的就是冷風。然后氣態的氟利昂回到壓縮機繼續壓縮，繼續循環。空調制熱的時候有一個叫四通閥的部件，使氟利昂在冷凝器與蒸發器的流動方向與制冷時相反，熱量傳輸的過程也相反，所以制熱的時候室外吹的是冷風，室內機吹的是熱風。

空調型戶外智能控制柜優點：（1）制冷效果好，采用主動式熱傳輸技術，空調冷卻方式對柜內溫度控制不依賴柜外環境，控制獨立性強，可以實現柜內空氣溫度低于柜外溫度；（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。缺點：（1）能耗一般較高；（2）溫度降低導致柜內空氣相對濕度上升，需采取更多的濕度控制措施。

4 省內智能控制柜環境控制系統情況

4.1 戶外智能控制柜環境控制系統配置情況

截至2016年6月，全省智能控制柜采取的環境控制方式具體情況如表2所示：

表2 湖北電網戶外智能控制柜微環境控制方式Tab.2 Hubei power grid outdoor intelligent control cabinet microenvironmental control mode

由表2可知湖北電網內220 kV及以上電壓等級智能變電站全部采用熱交換器冷卻方式或空調冷卻方式，風扇冷卻方式僅存在于110 kV智能變電站。其中，500 kV戶外智能變電站的兩個電壓等級的智能控制柜中，熱交換器冷卻方式占87.5%，空調冷卻方式占12.5%；220 kV戶外智能變電站的兩個電壓等級的智能控制柜中，熱交換器冷卻方式占76.3%，空調冷卻方式占23.7%；110 kV戶外智能變電站中，風扇冷卻方式占5.7%，熱交換器冷卻方式占76.6%，空調冷卻方式占17.8%。

4.2 戶外智能控制柜環境控制系統存在的運行問題

根據2016年6月，全省智能控制柜環境控制系統運行情況來看，主要存在以下4個方面的問題：

（1）部分環境控制系統溫度控制效果不佳

黃石王家坳、南湖、太子變電站110 kV變電站智能控制柜采用風扇冷卻方式，室外溫度40℃，智能控制柜內溫度可達50℃。宜昌遠安變電站智能控制柜采用熱交換器，測量艙內溫度常常達到50℃。黃岡220 kV亮城變智能控制柜內夏季溫度超50℃，設備運行環境不良。

（2）環境控制系統自身故障頻發

溫濕度控制系統易發風扇電機、溫控裝置/溫控芯片、控制主板、溫度探頭等故障或損壞，導致溫濕度控制系統常出現死機、故障報警、環境調節效果不理想等問題，部分設備可能發生自燃或損毀，嚴重情況下可能造成一次設備受累停運，故障缺陷在省內各單位不同程度存在，增加了智能站運維工作量。220 kV熊家嘴變電站GIS匯控柜內溫濕度控制器塑料部分全部燒熔，導致一次設備強迫停運。

（3）溫濕度控制系統運行狀態未全面監控

經調研，湖北省內26.2%的220 kV智能變電站和37.7%的110 kV智能變電站監控后臺無溫濕度監測數據顯示，即使在后臺顯示數據有數據顯示，也存在與實測數據差異較大的問題，大部分無法記錄歷史運行數據，設備狀態監控主要依賴于運行巡視，導致設備故障缺陷難以及時發現，也不便于運行分析。

（4）溫濕度控制系統運維存在薄弱環節

湖北省內智能控制柜溫濕度控制系統的設置基本依賴于廠家，運維人員對設置項目、設置定值、設置方法不夠熟悉，存在因設置不當而導致系統頻繁告警、運行不正常的現象。500 kV仙女山變電站曾發生設置為“抽濕”模式導致柜內溫度過高的問題。且運維人員對溫濕度環境重視程度不夠，缺陷未能及時消除，導致設備運行環境劣化，設備故障、缺陷記錄信息不全，影響后續運行分析效果。

5 智能控制柜環境控制系統運行改進措施

5.1 加強設備運行情況比對分析

開展專題研究，對不同控制方式的控制效果進行數據比對分析，比較控制方式優缺點，提出綜合控制策略；積累不同廠家設備運行數據，為全省智能控制柜微環境控制系統的設備選型提供依據。

5.2 強化設備信息上傳

研究信息上傳要素，提出便捷的實現方式，形成數據上傳標準，便于設備運行狀態比對分析，提前發現設備隱患缺陷。

5.3 提升設備運維水平

加強運維技術培訓，確保運維人員熟練運用、維護系統；注重環境控制系統缺陷及時消缺，在夏季高溫和冬季低溫天氣來臨前，加強設備運行狀態的巡視檢查。

6 結語

通過分析智能控制柜環境控制系統的必要性和環境對二次設備的影響，對比分析了常見控制方式的基本原理和優缺點，列出了現行技術標準和管理文件要求，通過調研分析湖北省智能變電站控制柜的環境控制系統配置情況，指出當前該類控制柜主要存在溫度控制效果不佳、環境控制系統自身故障頻發、運行狀態未全面監控、運維存在薄弱環節等4個方面的問題，提出了加強設備運行情況比對分析、強化信息上傳、提升設備運行水平的改進措施，對于提升智能匯控柜的運行安全穩定性具有一定的指導和借鑒意義。