變電站保護柜溫濕度智能控制研究

國網陜西省電力公司銅川供電公司 紀 鵬 何志昊 魏 華 西安源創電氣技術有限公司 王衛平

市場經濟的越發活躍和經濟水平的持續增長使得人們收入水平得以大幅度提升，物質生活品質得以提高，且越來越多的現代化電器產品涌入，對電力能源的需求急劇提升，這也為電力系統變配電的運行提出新的要求。在電力系統變配電當中，變電站繼電保護是針對電力故障和異常狀態進行檢測的重要保障性設計，其能夠在檢測到故障或異常信號時發出報警信號，也可以直接進行故障部分的隔離，將故障部分與其它設備分離開，避免故障蔓延或影響其它設備運行。

另外，繼電保護可以對正常運行中的電力系統設備與線路進行劃定范圍內的監測，針對是否發生異常運行或突發故障進行數據搜集后發出跳閘指令，并自動將信號發送至控制中心。相關技術人員可以根據通信傳感設備、信息控制系統所發送數據進行處理分析，獲取實際故障或異常狀態信號，將信息技術與通信傳感技術以及電力相關技術有機結合后形成現代智能化保護，這也是電力系統智能化概念的產生機理之一。通常情況下，電力系統設備由于高溫、濕度過大而致使繼電保護設備會對系統電壓、電流異常狀態做出快速反應，智能化的溫濕度控制器可能對保護柜提供有效的保護，避免其受到二次設備硬件故障影響而對電網的運行安全帶來威脅。

總之，隨著電力系統覆蓋范圍的不斷擴大，作為電力系統當中重要組成部分、變電站的運行環境也越來越復雜化。變電站主控室保護柜在長期運行過程中，柜內用于測量、控制、監視、保護、通訊等運行的繼電保護裝置繁多，且這些設備都需要24小時不間斷運行，致使設備大量發熱，導致運行環境溫度過高，設備長時間工作于溫濕度紅線值，大大的影響其工作的穩定性、可靠性和安全性。為了電力系統的安全可靠運行，對于越來越多的無人值守變電站，研制一種能夠進行溫濕度智能控制，自動保證保護柜內二次設備正常運行的系統顯得極其迫切。

1 變電站保護柜溫濕度智能控制重要性

變電站主控室保護柜在長期運行過程中，柜內用于測量、控制、監視、保護、通訊等運行的繼電保護裝置繁多，且這些設備都需要24小時不間斷運行。隨著二次設備智能化水平的不斷提高，設備信息交換量非常大，cpu負載率高，促使設備發熱量大，而這些發熱位置溫度監測難度較高，難以保證實時監測效果，熱量發散較為緩慢，始終處于高溫下必然會容易使設備發生故障。

近些年來，變電站的繼電保護柜由于溫度過高而引發的事故數量不斷增多，使得保護裝置閉鎖或大面積設備發生通訊中斷故障，為電力企業帶來不小的損失。為此，重點進行保護柜繼電保護裝置過熱的故障問題是有效避免此類繼電保護事故發生的關鍵。

從繼電保護裝置的功能角度來講，其主要是針對電力系統當中所存在的異常狀態或故障進行實時監測，并根據故障信息發出預警或直接進行故障和異常狀態部分與主線路隔離，避免造成故障蔓延。

究其本質來講，繼電保護裝置主要是針對電力系統中相關設備與線路，其能夠進行一定范圍內的故障狀態進行監測，并發出跳閘指令與信號調整。

事實上，繼電保護裝置通過多年的應用和研究改進，其整體的性能和保護水平取得了不小的成果，而且也有著較為豐富的應用經驗，為電力企業經濟效益提供了有效的保障，而且也從整體上提高了電力系統運行的穩定性以及管理質量。在近年來信息技術智能化技術與自動化技術的快速進步和電力系統繼電保護領域中的實際應用，通過控制原理和控制模式的融入，繼電保護水平得到了大幅提升，使得變電站繼電保護相關理論與技術水平都得到了很大的進步。由此來看，繼電保護相關技術未來的發展必然會朝向智能化、網絡化方向靠攏，并且集中計算機技術、網絡技術、智能化技術、保護與控制以及測量數據、通信技術優勢，實現一體化發展。

2 變電站保護柜溫濕度智能控制工作原理

保護柜絕大多數采用封閉式結構、散熱較慢，且長期在封閉、強磁場環境下運行，保護柜內各設備集成度非常高，各設備模塊運行觸點多。當溫度過高、導致接觸電阻超過國家標準規定的接觸阻值，如此會加快觸頭表面氧化速度，當觸頭的溫度超過極限值，就會致使內部材料機械強度減弱，甚至損壞[2]。

對于變電站保護柜溫濕度智能控制設計，主要以《智能變電站智能控制柜技術規范》相關標準要求、針對當前變電站保護柜類型及其框架設計，以PLC可編程邏輯控制器，配備數字溫濕度變送器、交流接觸器、溫濕度報警器、送風機構，利用PLC可編程控制器依據保護柜內部溫濕度相關數據進行自動化控溫與驅風[3]。

利用PLC可編程控制器進行溫濕度控制器自動啟動、關閉控制，其內部邏輯會控制加熱器與送風機構的運行。其具體運行路線為：數字溫濕度變送器——溫濕度數據采集——PLC可編程控制器——交流接觸器、溫濕度報警器——加熱器與送風機構——溫濕度數據采集——PLC可編程控制器。

3 變電站保護柜溫濕度智能控制方案實施

3.1 控制方案設計

在工作溫度較高的保護柜內合適位置安裝數字溫濕度變送器，將各柜內實時溫濕度數據通過溫濕度變送器采集后，由485通信線統一送到溫濕度控制系統的PLC通信端口。

由PLC將溫濕度變送器采集來的實時溫濕度數據與設定值（保證保護柜內設備正常運行的溫濕度值）進行比較，當實時檢測值高于設定值時，PLC控制繼電器和交流接觸器輸出驅動溫濕度報警器和送風機構工作，當保護柜內部溫度大于溫度上限設定值（本設計默認溫度上限極限值為35℃），通過PLC可編程控制器啟動送風機構，當保護柜內部溫度下降至溫度上限設定值-溫度回差（設定為5℃）時，則送風機構關閉[4]。當保護柜內部溫度下降至溫度下限設定極限值（本設計設定為10℃）時，則柜內加熱器啟動，溫度上升至溫度下限極限值——溫度回差后則加熱器關閉。

對于除濕，其工作原理為通過柜內濕度檢測，當保護柜內濕度超過濕度設定值（本設計設定為80%）、且柜內溫度小于溫度上限設定極限值-溫度回差時，則進行送風機構與加熱器的啟動，當保護柜內部溫度上升到溫度上限設定極限值-溫度回差、則加熱器關閉，濕度小于濕度設定值-濕度回差則關閉送風機構。PLC控制報警裝置和送風裝置停止工作；保證保護柜內設備工作在規定溫濕度范圍內。

溫濕度變送器采集到的是多個保護柜的溫濕度實時數據，送到控制系統的PLC中，由PLC選擇溫濕度值最高的一組作為和設定值進行比較的數據。這樣由多個保護柜中工作溫度最高的溫濕度數據觸發報警和送風機構工作，保證了其他保護柜內設備肯定工作在低于設定值的溫濕度范圍[5]。

送風機構由恒溫恒濕工業除濕機和相應的通風管道、通風接頭、防護罩等組成。當控制系統觸發除濕機工作時，即接通除濕機主電源，恒溫恒濕除濕機的出風口將干燥的涼空氣通過定制的出風孔送到通風管道中，通風管道可根據現場情況安裝在主控室的電纜溝內。由通風管道將冷空氣通過電纜溝送到各保護柜的內部，向柜內送冷空氣，達到降低柜內溫度的目的。

為了防止小動物進入管道，在伸到每個保護柜內的通風管端頭處安裝保護罩；為了使送到柜內的風量足夠大，根據電纜溝的長度在通風管道中間可適當加裝多個風量加速器；溫濕度報警器安裝在控制系統箱內，可發光發聲；溫濕度控制系統箱帶觸摸屏顯示，可實時的將采集到的每個保護柜內部的溫濕度數值顯示在屏上。為數據上傳到后臺做好準備；系統供電為專用線路，從交流屏的備用電源接入。

3.2 結構與安裝

采用溫控風扇模式，其中溫濕度控制系統主要運用的導軌式或嵌入式，傳感器在采取導軌式，目的為節省智能保護柜內空間，可控制在90～130mm空間范圍，風扇頂部安裝、加熱器底部或后方安裝后可保證占用空間的合理性，此結構較為適用戶外柜且尺寸無限制。

熱交換器主要采用側裝，較為適用于通信機。此外還有門裝方式，可分為內嵌與外掛兩種，為保證符合變電站戶外保護柜結構特點，門裝式有著較好的適用性。由于內嵌式熱交換器占據深度較大、約為150～210mm左右，可選擇外掛式安裝，而對于800mm深的保護柜則較為適合使用嵌入式方式安裝，而由于熱交換器的尺寸相對較大，通常指適用于高度不低于1500mm、深度不低于600mm、寬度高于800mm的戶外保護柜。

此外，需配備接口與預警功能，對溫控設備需注意設置豐富的專業溫濕度控制器接口，接口可實現溫濕度數據、定制參數、溫濕度控制器運行狀態等相關數據信息的搜集和傳輸，以便于控制中心對實時狀態的監控。預警功能主要集中于傳感器異常、CPU異常、加熱器、送風機構等部分的狀態監測，如發生故障可直接發出預警信號。送風機構接口較少，只配備數字接口，可實現溫濕度的實施監測與數據傳輸，同時配備故障報警與失電報警接口，實現戶外保護柜智能送風狀態的監控。

4 變電站保護柜溫濕度智能控制實測分析

在電力系統當中，保護柜的運行安全和可靠性極為重要，而變電站保護柜由于需要面對多種復雜環境，常會導致柜內溫度過高而引起其他設備、元器件運行故障，尤其空氣潮濕和溫度升高會影響保護柜絕緣性能。特別南方地區，空氣濕度較大，如果保護柜元器件受潮甚至發生結露情況，會致使元器件受損而引發保護柜安全故障，甚至導致更大的安全事故[6]。

為有效驗證本文所提出變電站保護柜溫濕度智能控制方案設計可行性和實際效果，筆者選取3個已經投入運行的變電站項目，變電站保護柜尺寸均為1500mm（高）×800mm（寬）×600mm（深），柜內包括2臺智能終端，其熱耗約為200W，溫濕度控制模式設定中溫度上限設定極限值為35℃，濕度上限設定極限值為80%。

溫控模式：為實現保護柜內部運行環境內溫、濕度相關數據采集，利用本設計方案中傳感器對各保護柜設備溫、濕度進行數據采集分析，上傳至監控后臺系統；送風機構：針對保護柜內部溫濕度數據進行采集后傳輸監控后臺，相關溫濕度數據如圖1所示。

圖1 送風結構接收采集數據示意圖

由圖1數據得出，理想狀態下，送風機構與集熱器在保證保護柜內溫濕度平衡性方面具有明顯效果，內部溫度均保持在允許正常值范圍內。

5 變電站保護柜溫濕度智能控制方案應用前景

變電站自動化系統廣泛應用下，智能化變電站已經成為變電站發展必然趨勢，為幫助電力企業實現減員增效、增強勞動生產率、提高電網安全和穩定發揮了不小的積極作用。繼電保護裝置的智能化對運行中的電力系統設備和線路可根據異常或故障發出跳閘命令或信號的自動裝置。所以，繼電保護裝置的是否穩定運行對變電站的安全、可靠運行起到舉足輕重的作用。而繼電保護裝置的是否穩定運行在很大程度上取決設備本身發熱程度及散熱情況[8]。