湖南地區戶外智能控制柜環境控制研究

劉 雷，張 延

（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410007）

0 引 言

近年來，智能變電站技術得到迅猛發展。智能變電站三層結構中的過程層（合并單元和智能終端等智能組件）作為傳統一次設備與智能化二次設備的接口層[1]，是提高智能一次設備集成化、數字化程度的重要環節，提供良好的環境保障智能組件安全穩定運行也顯得尤為重要。

湖南地區屬亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明，其特點是：春溫多變，寒潮頻繁；夏多暴雨，易遭洪澇，時有酸雨；秋常干旱，氣候炎熱；冬少嚴寒，間有冰凍。最高溫度約42 ℃，最低約-10 ℃；平均濕度為76.6%，最大濕度為96.8%；最大一日降雨量為178.2 mm，平均降水量為1 275.6 mm；平均霜日數為14.6 d；中南部地區酸雨頻率62.3%。

智能組件的工作溫度為-25～+55 ℃，適宜溫度為+15～+35 ℃；相對濕度≤80%；需防水、防凝露及防酸雨腐蝕。

智能控制柜作為智能組件的宿主設備，需提供高溫、嚴寒、雨水、凝露及塵土等環境防護，以保障智能組件安全穩定運行。

本文研究了湖南地區戶外惡劣的自然環境下，智能控制柜消除外界環境對智能設備帶來的影響，對柜內運行環境實時監測和控制，保障智能設備正常運行的方案。

1 環境控制技術

智能變電站的智能組件主要依靠高精度的控制芯片和持續穩定運行的電路電子元器件。電子器件故障的主要原因為熱疲勞、機械過應力、潮濕腐蝕及靜電。圖1為電子器件故障原因。

圖1 電子器件故障原因

現場運行過程中，智能組件固定安裝在戶外智能控制柜內，受機械過應力的影響較小。但在戶外高溫和長時間強光照射的密封條件下，柜內設備的工作溫度容易過高，從而影響智能設備的精確性和穩定性，可能發生誤動和拒動的情況，導致電力事故。此外，低溫和潮濕也同樣影響智能設備正常有序工作。

1.1 溫濕度控制柜技術

目前，戶外智能控制柜溫濕度控制技術主要包括集中式溫濕度控制方式和分散式溫濕度控制方式[2]。

1.1.1 集中式控制方式

該環境控制系統采用集中控制的方式，具體如下。（1）在站內場地集中放置一組空調主機（可按雙重化考慮）；（2）空調主機連接多個主輸送管道，該管道放置于電纜溝內；（3）各智能控制柜通過分支管道與主輸送管道相連；（4）分支管道的智能控制柜側管口設置密集型網罩，防止小動物等爬入，導致管道堵塞；（5）各智能控制柜頂設置通風閥。

1.1.2 分散式控制方式

（1）空調技術

圖2為空調技術示意圖。由圖2可知，空調通過壓縮制冷方式進行降溫（蒸發器與柜內空氣的熱交換、冷凝器與柜外空氣的熱交換），使智能控制柜內溫度保持在比較恒定的范圍。

圖2 空調技術示意圖

該技術密封性能好，可有效防止塵土、潮濕氣體及腐蝕性氣體進入柜內。此外，空調還具備加熱和除濕功能。

但空調具有一定損壞率，而且若空調發生故障，現場運維困難。同時，無冗余設計考慮，會導致智能控制柜溫濕度控制系統失效。

（2）熱交換技術

該技術是基于熱傳導原理，如圖3所示。通過熱交換器兩側的風扇加速空氣流動，使熱量由高溫區域向低溫區域傳遞，實現兩側的熱量交換。

圖3 熱交換技術示意圖

熱交換介質兩側的空氣互不接觸，柜體設計為全封閉結構，能有效防止塵土、潮濕氣體進入柜內，但該技術不能有效防止凝露。

（3）強迫風冷技術

該技術屬于直接散熱，即直接將柜內外空氣互換，柜外冷空氣輸送至柜內，柜內熱空氣排出柜外。

強迫風冷技術結構較為簡單、體積小、運維方便、功耗小且成本低。但該技術防塵土、潮濕氣體及腐蝕性氣體的能力較差。

1.2 柜體防護技術

戶外智能控制柜柜體防護首先需滿足強度要求，同時滿足空調技術的溫濕度控制方案密封性要求。

1.2.1 柜體結構設計

戶外柜整體采用內、外雙層結構設計一體式柜體，內柜、頂蓋、底座、雙層側板及前后柜門采用拼裝、焊接及鉸接的形式。柜體采用優質304不銹鋼材料可防酸雨，材料厚度不小于1.5 mm。立柱承重性強，框架剛性好，機柜強度高。柜體結構強度可承受至少12級風的破壞，同時也可承受至少8級地震破壞。柜體上部設置防雨帽頂，柜頂留有散熱通道，如圖4所示。柜體與門板接觸的部位設置斜坡式導水槽。

圖4 防雨帽示意圖

1.2.2 柜體密封設計

前后門與門框之間均采用密封材料；柜體的主體和基座兩節之間的接縫采用防水措施；柜底電纜、光纜的進出孔采用防火材料封堵的同時，采用塔形橡膠護線套，不同直徑的圓形口可匹配相應尺寸的線纜，保證良好的密封性能。

2 湖南地區環境控制方案

跟蹤已投運的智能變電站，采用紅外測溫發現智能控制柜內溫度普遍較高，尤其是光纖接口處。湖南地區某變電站智能控制柜內智能裝置背板發熱點最高溫度為57.9 ℃。

湖南地區戶外智能控制柜需滿足炎熱、嚴寒、潮濕、凝露、塵土等惡劣環境的防護要求。根據工程運行經驗發現，熱交換和強迫風冷技術不能完全滿足上述要求，建議湖南地區戶外智能控制柜采用集中控制方式或分散式空調技術。

2.1 空調技術方案

湖南地區110 kV變電站典設方案中，一次規模多為4線2變；電氣設備采用戶外AIS方案時，110 kV部分和主變設備共占地面積約3 600 m2；電氣設備采用戶外GIS方案時，110 kV部分和主變設備共占地面積約2 000 m2；需采用智能控制柜11個。該規模采用集中控制方式施工較為復雜、成本較高，建議采用分散式空調技術[3]。

目前柜體尺寸較為多樣，建議采用國網標準化尺寸的戶外智能控制柜，具體形式如表1所示[4]。

智能控制柜建議設置1臺空調，安裝于柜體背門，如圖5所示。經統計可知，柜內智能組件設備功耗約0.13 kW，而上述尺寸的柜體需考慮0.26 kW的功耗，因此0.39 kW以上的空調才能滿足運行要求。為留有裕度，建議采用較為常用的0.5 kW空調。

圖5 智能控制柜空調布置圖

2.2 集中控制技術方案

該技術正在試行階段，且現場施工相對較為復雜，目前暫未在湖南地區的工程中推廣。但因運行維護更方便，可靠性更高，且成本更低（在規模較大的變電站中），建議在湖南地區工程中逐步推廣使用。

220 kV變電站建設方案中，220 kV出線為4～6回，主變為3臺，110 kV出線為8～12回；電氣設備采用戶外GIS方案時，220 kV、110 kV部分和主變設備共占地面積約7 000 m2；電氣設備采用戶外AIS方案時，220 kV、110 kV部分和主變設備共占地面積約12 000 m；需采用智能控制柜約27個。500 kV變電站戶外配電裝置各電壓等級均設有智能控制柜，占地面積約30 000 m。上述規模場地較大、柜體數量較多，可采用集中控制技術。

目前柜體尺寸較為多樣，建議采用國網標準化尺寸的戶外智能控制柜，具體形式如表2所示。

建議220 kV AIS/GIS類型變電站采用25 kW容量的雙重化主機（可根據主機位置以及主輸風管道長度進行調整），500 kV變電站采用60 kW容量的雙重化主機（可根據主機位置以及主輸風管道長度設置多個主機），放置于站內靠近配電裝置的合理位置，并設置遮陽（遮雨）棚。

主機采用防火材質的輸風管道（布置在電纜溝內），將新風輸送至各智能控制柜（底部開孔）。

表1 110 kV智能控制柜型號

表2 500kV/220kV智能控制柜型號

2.3 其他環境控制方案

本研究在上述兩種環境控制技術方案的基礎上，進一步提出了4種環境控制的方案。

（1）溫濕度環境監測系統

空調技術和集中式控制技術均考慮溫濕度環境監測系統，當柜內溫度高于30 ℃時，系統將自啟動空調；當柜內溫度低于20 ℃時，系統將自關閉空調；當柜內溫度低于10 ℃時，系統將自啟動除濕加熱裝置或空調；相關信息上送至后臺。同時，柜內安裝溫濕度顯示儀，柜體前門采用局部玻璃材質，方便運行人員在就地運行檢修時及時查看，如圖6所示。

（2）微超壓系統

針對除濕、防塵的問題，本方案提出采用微超壓系統，如圖7所示[5]。將經過濾、除水干燥的空氣充入柜內，使智能控制柜內氣壓為1.05倍外部大氣壓，始終保持在微超壓狀態，從而迫使灰塵、潮氣不能侵入到智能柜。該系統設置自動控制子系統，自動監測控制柜的氣壓值，當柜內氣壓低于設定壓力值2 000 Pa時，自啟動微超壓系統；當柜內氣壓高于設定壓力值5 000 Pa時，自關閉微超壓系統；當氣壓控制開關拒動或高于設定壓力值6 500 Pa時，自動開放出風閥，釋放壓力。

圖6 智能控制柜正面圖

圖7 微超壓系統

（3）自動除塵系統

空調技術和集中控制技術均存在使用時間較長后，過濾網灰塵堆積的現象。本研究提出空氣濾網積塵的除塵設計，具體如下。第一，在濾網的指定位置，將由電源驅動的振動源所產生的振動作用在濾網上，提供振動源以一定的電力時，振動源驅動濾網產生振動。當濾網灰塵聚積到一定程度需除塵時，智能控制模塊會接通濾網上的振動源的工作電源，振動源工作將聚積在濾網上的灰塵振落。第二，智能控制模塊適時地控制風機以提供反向氣流，將振落的灰塵吹離濾網，從而達到除塵效果。

（4）防火閥

針對集中控制方式防火性能低的弊端，建議在柜頂部出風閥裝設篩網，網眼尺寸不大于2 mm×2 mm，金屬絲的直徑不應小于0.45 mm；另在柜底部通風管處裝設防火閥，如圖8所示，設定溫度高于70 ℃時，關閉風道。

3 結 論

本文主要從戶外智能控制柜溫濕度控制和柜體設計兩方面進行研究，旨在為湖南地區制定合理、統一的戶外智能控制柜環境控制方案。文章分析了分散式溫濕度控制方案、集中式溫濕度控制方案、柜體結構設計方案及柜體密封設計方案，為今后智能控制柜環境控制方案設計提供了借鑒。