變電站戶(hù)外智能控制柜綜合環(huán)境控制應(yīng)用

任水華 陳恒松 李 濤

（國(guó)網(wǎng)蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000）

作為就地安裝的裝置的主要宿主設(shè)備，智能控制柜在智能變電站中具有重要地位。智能控制柜的全環(huán)境適應(yīng)性、完備的信息交互、高可靠易維護(hù)性、高性?xún)r(jià)比節(jié)能設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)智能變電站安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)生深刻影響。通過(guò)本項(xiàng)目對(duì)智能控制柜運(yùn)行環(huán)境控制技術(shù)的專(zhuān)項(xiàng)研究，引入合理有效的散熱設(shè)計(jì)、溫濕度智能控制系統(tǒng)，使得智能控制柜在溫濕度控制、節(jié)能環(huán)保等各方面性能有顯著的提升。

依據(jù)國(guó)網(wǎng)《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，目前的智能化變電站均將智能終端、合并單元就地化安放。由于智能終端、合并單元等設(shè)備對(duì)環(huán)境溫濕度、抗電磁干擾能力等要求較高，當(dāng)它們集中布置于二次設(shè)備室時(shí)，由于二次設(shè)備室良好的溫濕度環(huán)境和抗電磁干擾能力，可以保證這些二次設(shè)備的安全可靠運(yùn)行和較長(zhǎng)的使用壽命，但當(dāng)它們下放一次設(shè)備場(chǎng)地，就地化布置時(shí)，外部的溫濕度環(huán)境和電磁干擾影響都遠(yuǎn)比二次設(shè)備室惡劣，尤其在戶(hù)外GIS和AIS站中，這一情況將更加嚴(yán)重。因此，要保護(hù)它們的正常運(yùn)行，就必須對(duì)用于安裝它們的智能控制柜提出更高的要求。

1 當(dāng)前戶(hù)外柜環(huán)境控制主要方式

1.1 強(qiáng)迫風(fēng)冷方式

采用風(fēng)機(jī)（軸流風(fēng)機(jī)或離心風(fēng)機(jī)），實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)外空氣的對(duì)流，將室內(nèi)熱空氣排到室外，同時(shí)將室外的冷空氣排入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)熱量的轉(zhuǎn)移。

優(yōu)點(diǎn)：（1）風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，安裝、維護(hù)方便；（2）能耗低；（3）成本很低；

缺點(diǎn)：（1）夏天環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，散熱效果差，不能長(zhǎng)期承擔(dān)對(duì)機(jī)柜降溫的重任；（2）防護(hù)等級(jí)低，灰塵、濕氣及腐蝕性氣體進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部，容易積聚粉塵等污垢，并污染柜內(nèi)的元器件，進(jìn)而加劇元器件熱島效應(yīng)；（3）風(fēng)扇只能散熱降溫，冬天環(huán)境溫度過(guò)低，不能給機(jī)柜加熱升溫。

1.2 熱交換器散熱方式

熱交換器裝置是一種利用低于柜內(nèi)溫度的柜外空氣，通過(guò)熱交換芯進(jìn)行有效交換，把柜內(nèi)熱量傳遞給柜外空氣。熱交換器工作時(shí)，不同溫度的柜外空氣和柜內(nèi)空氣在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)由金屬材料制成的分隔板進(jìn)行熱量交換，兩邊的氣流100%完全隔開(kāi)。

優(yōu)點(diǎn)：（1）防護(hù)等級(jí)高，排除了濕度、灰塵對(duì)柜內(nèi)可能產(chǎn)生的污染，避免由于熱量、濕度、灰塵和其它污染物引起的故障等功能。（2）散熱效果較風(fēng)扇好。

缺點(diǎn)：（1）由于熱交換器的本質(zhì)是熱傳導(dǎo)，因此柜內(nèi)溫度總是高于環(huán)境溫度，夏天環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，將導(dǎo)致柜內(nèi)溫度過(guò)高；（2）熱交換器風(fēng)扇只能散熱降溫，冬天環(huán)境溫度過(guò)低，不能給機(jī)柜加熱升溫。

1.3 空調(diào)器溫控方式

機(jī)柜空調(diào)器有壁掛、半嵌、全嵌、頂置等多種安裝方式，可以根據(jù)機(jī)柜中具體溫度情況決定是制冷還是加熱。

優(yōu)點(diǎn)：（1）散熱效果好，由于冷風(fēng)直接送至熱源附近，可以保證機(jī)柜內(nèi)不出現(xiàn)熱點(diǎn)；（2）防護(hù)等級(jí)高，能阻止灰塵、濕氣及腐蝕性氣體進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部；（3）冬天環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，可以加熱升溫。

缺點(diǎn)：能耗高。

2 一種基于空調(diào)與風(fēng)扇協(xié)同工作的戶(hù)外柜溫控系統(tǒng)

以往的電力系統(tǒng)二次裝置都是按照室內(nèi)的環(huán)境條件設(shè)計(jì)，由于變電站設(shè)備室良好的溫濕度環(huán)境和抗電磁干擾能力，可以保證這些二次設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。而智能控制柜安裝在戶(hù)外條件下，需要提供更加優(yōu)良的運(yùn)行環(huán)境。針對(duì)目前主流的三種環(huán)境控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，我們需要研究一套更加優(yōu)化的方案已適應(yīng)戶(hù)外柜特殊的環(huán)境控制要求。

基于目前戶(hù)外柜所使用的環(huán)境控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，研究出了一套基于空調(diào)與風(fēng)扇協(xié)同工作的戶(hù)外柜溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用空調(diào)、風(fēng)機(jī)的自身優(yōu)勢(shì)，大大提高溫控系統(tǒng)的可靠性，并降低了系統(tǒng)能耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。

2.1 方案概述及操作原理

（1）該系統(tǒng)包括機(jī)柜、空調(diào)、若干風(fēng)機(jī)、以及一個(gè)與風(fēng)扇配套的電動(dòng)百葉窗。

（2）更進(jìn)一步，所述電動(dòng)百葉窗安裝在鈑金折彎盒中，組成電動(dòng)百葉窗模塊；所述風(fēng)機(jī)安裝在風(fēng)機(jī)安裝板上，組成風(fēng)機(jī)模塊；所述鈑金折彎盒安裝于風(fēng)機(jī)安裝板上，電動(dòng)百葉窗、鈑金折彎盒、風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)安裝板組成獨(dú)立的強(qiáng)迫風(fēng)冷模塊。

（3）更進(jìn)一步，所述機(jī)柜為雙層殼體結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)層殼體和外層殼體；所述強(qiáng)迫風(fēng)冷模塊吊裝于機(jī)柜內(nèi)層頂板上，通過(guò)螺釘連接。

（4）更進(jìn)一步，所述電動(dòng)百葉窗為所述風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口，所述內(nèi)層頂板與外層頂罩的架空空間為所述風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口。

（5）更進(jìn)一步，所述電動(dòng)百葉窗包括葉片、電機(jī)、連接條、窗框；所述葉片具有凝露積水槽；所述窗框具有承接葉片凝露積水的引水槽；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接條運(yùn)動(dòng)，所述連接條串接所有葉片，驅(qū)動(dòng)百葉窗的開(kāi)啟與關(guān)閉。

（6）更進(jìn)一步，所述空調(diào)選用帶有除濕功能的壁掛式機(jī)柜空調(diào)，可安裝于機(jī)柜后門(mén)或側(cè)板上。空調(diào)可根據(jù)當(dāng)?shù)貪穸惹闆r選擇一般的除濕空調(diào),也可選擇除濕性能強(qiáng)勁的轉(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng).空調(diào)在制冷的過(guò)程中,空氣中多余的水汽會(huì)以冷凝水的形式析出,從而達(dá)到除濕的作用.轉(zhuǎn)輪除濕原理是利用硅膠,氯化鋰等除濕劑吸附空氣中的水汽以達(dá)到除濕的功能。

2.2 控制邏輯

由于現(xiàn)在的智能變電站大多是無(wú)人值班甚至是無(wú)人值守變電站，要求智能控制柜在日常運(yùn)行中能自動(dòng)調(diào)節(jié)控制柜內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，并及時(shí)準(zhǔn)確將柜內(nèi)運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)上傳。因此，智能控制柜需采用智能化集成式設(shè)計(jì)，通過(guò)配置智能溫濕度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、控制，并具備將環(huán)境參數(shù)信息實(shí)時(shí)上傳的能力，即智能溫濕度控制裝置可對(duì)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)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)上傳，保證后臺(tái)運(yùn)行人員能隨時(shí)了解和記錄柜體內(nèi)部環(huán)境，并在風(fēng)扇卡死損壞等故障情況下的時(shí)候采取人工干預(yù)措施。本系統(tǒng)控制邏輯如下:當(dāng)柜內(nèi)環(huán)境溫度首次達(dá)到35℃時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇，經(jīng)一定時(shí)間（5分30秒）后，讀取柜內(nèi)環(huán)境溫度。如溫度降低32℃以下（風(fēng)扇3℃回差），則風(fēng)扇停機(jī)。如溫度仍不低于35℃，則啟動(dòng)空調(diào)進(jìn)行降溫，同時(shí)風(fēng)扇停機(jī)。如柜內(nèi)溫度降低至30℃以下（空調(diào)5℃回差），則空調(diào)停機(jī)。

與當(dāng)前環(huán)境控制方式的對(duì)比：本方案的基于空調(diào)與風(fēng)機(jī)協(xié)同工作的戶(hù)外柜散熱系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)如下：（1）與強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式對(duì)比：1.本方案在環(huán)境溫度過(guò)高、或過(guò)低時(shí)，均具有很好的溫度調(diào)節(jié)能力。2.防護(hù)等級(jí)有很大提高，當(dāng)風(fēng)扇停止工作時(shí)，機(jī)柜內(nèi)部為封閉環(huán)境。3.雙散熱系統(tǒng)，可靠性更高。（2）與熱交換器散熱方式對(duì)比：熱交換器散熱方式，不具備低溫加熱功能。熱交換器散熱方式，柜內(nèi)溫度適中高于柜外空氣溫度，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，散熱性能大大降低。

3 本方案雙散熱系統(tǒng)，可靠性更高

與空調(diào)器溫控方式對(duì)比：由于環(huán)境溫度處于高溫、或低溫的時(shí)間，空調(diào)才工作，因此本方案的能耗大大降低。

可靠性更高，空調(diào)、與風(fēng)扇交替工作，將減少空調(diào)自身故障率，且本方案為雙散熱系統(tǒng)，二者互為備用。

（1）高溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將裝有空調(diào)與風(fēng)扇協(xié)同工作溫控系統(tǒng)的智能戶(hù)外柜放置在常溫和高溫環(huán)境下，采用FLUKE2620A數(shù)據(jù)采集器各個(gè)探頭采集并記錄柜內(nèi)各點(diǎn)的溫度。

（2）溫度采集點(diǎn)布置

機(jī)柜內(nèi)部溫控系統(tǒng)配置的溫度傳感器位于機(jī)柜背面右上方緊挨空氣開(kāi)關(guān)，圖1所示紅色圈內(nèi)。

圖1

（3）溫度采集結(jié)果及分析常溫下測(cè)得的戶(hù)外柜溫度曲線分布圖 （2014.8.19 19：30～2014.8.20 15：30）

圖2

圖3 截取某一段時(shí)間內(nèi)的溫度曲線

說(shuō)明：

1）10號(hào)、14號(hào)采集點(diǎn)為柜頂和柜底部環(huán)境溫度。圖2所示，曲線顯示環(huán)境溫度23℃～27℃,符合夏季高溫夜間溫度實(shí)際情況；14號(hào)采集點(diǎn)為柜下方環(huán)境溫度，略低于10號(hào)采集點(diǎn)的柜上方環(huán)境溫度，也符合熱力學(xué)原理。

2）7、9號(hào)采集點(diǎn)為第三和第一層裝置的溫度。圖2所示，曲線顯示裝置內(nèi)部環(huán)境溫度在35±6℃區(qū)間波動(dòng),符合溫控系統(tǒng)的設(shè)定,表明溫控系統(tǒng)工作正常；7號(hào)采集點(diǎn)位置較低，溫度明顯低于9號(hào)采集點(diǎn)，說(shuō)明隨著裝置高度的提高，其周邊環(huán)境溫度也相應(yīng)提高，在工程設(shè)計(jì)時(shí)可考慮將發(fā)熱量較大的裝置安裝在較低的位置。

3）12號(hào)采集點(diǎn)為風(fēng)扇上部盲區(qū)的溫度，圖2所示，最高41℃，說(shuō)明在風(fēng)扇工作無(wú)法影響的區(qū)域，溫度相對(duì)較高；

4）5號(hào)采集點(diǎn)為傳感器附近的溫度，由圖3可知：當(dāng)傳感器附近溫度達(dá)到35℃時(shí)，溫度曲線上升變緩慢，說(shuō)明風(fēng)扇在35℃時(shí)已啟動(dòng)，并對(duì)柜內(nèi)溫度產(chǎn)生影響。但溫度扔不下降，說(shuō)明風(fēng)扇無(wú)法將柜內(nèi)環(huán)境溫度控制在35℃以下，經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔后，溫度明顯下降，說(shuō)明系統(tǒng)控制空調(diào)啟動(dòng)，曲線顯示當(dāng)?shù)陀?0℃時(shí)，溫度又迅速回升。這是因?yàn)楦鶕?jù)設(shè)定，當(dāng)溫度低于30℃時(shí)空調(diào)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉而導(dǎo)致柜內(nèi)溫度上升。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析說(shuō)明，柜內(nèi)溫度的變化符合環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制邏輯，且裝置工作區(qū)域溫度范圍在27℃-37℃之間，也符合預(yù)期的要求。環(huán)境控制系統(tǒng)工作正常且有效。

圖4 截取某一段時(shí)間內(nèi)的溫度曲線

說(shuō)明：

1）10號(hào)、14號(hào)采集點(diǎn)為柜頂和柜底部環(huán)境溫度。曲線顯示大部分時(shí)間環(huán)境溫度在43℃～53℃,；14號(hào)采集點(diǎn)為柜下方環(huán)境溫度，略低于10號(hào)采集點(diǎn)的柜上方環(huán)境溫度，也符合熱力學(xué)原理。

2）7、9號(hào)采集點(diǎn)為第三和第一層裝置的溫度。曲線顯示裝置內(nèi)部環(huán)境溫度在35±6℃區(qū)間波動(dòng),符合溫控系統(tǒng)的設(shè)定,表明溫控系統(tǒng)在外部環(huán)境處于超高溫狀態(tài)時(shí)，也能工作正常，保證柜內(nèi)裝置的環(huán)境溫度處于預(yù)期的狀態(tài)下。其中7號(hào)采集點(diǎn)位置較低，溫度明顯低于9號(hào)采集點(diǎn)，說(shuō)明隨著裝置高度的提高，其周邊環(huán)境溫度也相應(yīng)提高，在工程設(shè)計(jì)時(shí)可考慮將發(fā)熱量較大的裝置安裝在較低的位置。

3）12號(hào)采集點(diǎn)為風(fēng)扇上部盲區(qū)的溫度，5號(hào)采集點(diǎn)為傳感器附近的溫度，兩處溫度曲線基本重合，處于40±2℃的區(qū)間，即在環(huán)境溫度超高的狀態(tài)下，風(fēng)扇盲區(qū)溫度與傳感器附近溫度基本一致。說(shuō)明在此溫度狀態(tài)下，風(fēng)扇基本處于不工作的狀態(tài)，主要依靠空調(diào)進(jìn)行環(huán)境控制。

4）1號(hào)采集點(diǎn)為空調(diào)出風(fēng)口溫度，溫度區(qū)間為23℃-35℃，說(shuō)明當(dāng)空調(diào)啟動(dòng)時(shí)，出風(fēng)口溫度為35℃，當(dāng)空調(diào)停機(jī)時(shí)，出風(fēng)口溫度為23℃。

5）由圖4可知：當(dāng)傳感器附近溫度達(dá)到38℃時(shí)，空調(diào)啟動(dòng)，由于出風(fēng)口溫度35℃，仍處于較高的溫度，空調(diào)對(duì)機(jī)柜的降溫作用存在滯后現(xiàn)象，當(dāng)傳感器溫度達(dá)到42℃時(shí)，柜內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)7號(hào)、9號(hào)采集點(diǎn)的裝置位置環(huán)境溫度在35±6℃區(qū)間，符合預(yù)期要求。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析說(shuō)明，柜內(nèi)溫度的變化符合環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制邏輯，且裝置工作區(qū)域溫度范圍在35±6℃區(qū)間，也符合預(yù)期的要求。環(huán)境控制系統(tǒng)工作正常且有效。

通過(guò)溫度分布曲線，圖表及分析，表明裝有風(fēng)扇空調(diào)協(xié)同工作溫控系統(tǒng)的智能戶(hù)外柜能在環(huán)境溫度達(dá)到53℃的惡劣情況下，仍然能將柜內(nèi)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度控制在45℃以下，提供滿(mǎn)足DL/T478-2010所規(guī)定-10℃～+55℃的大氣環(huán)境溫度條件，保障柜內(nèi)繼電保護(hù)設(shè)備的可靠運(yùn)行，同時(shí)風(fēng)扇空調(diào)能按照控制邏輯正常切換，降低能耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)以往戶(hù)外柜環(huán)境控制方式，分析現(xiàn)有方式的優(yōu)缺點(diǎn)，研究出了一種基于空調(diào)和風(fēng)扇協(xié)同工作的溫控系統(tǒng)，大大提高了戶(hù)外柜溫控系統(tǒng)的可靠性，并降低了系統(tǒng)能耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。并且經(jīng)過(guò)高溫實(shí)驗(yàn)論證，本系統(tǒng)安全可靠，達(dá)到溫控目標(biāo)。