智能變電站二次設備就地化防護技術

牛 強，鐘加勇，陶永健，姜 帥，席亞克，韓 湘，張瑞芬

(1．許繼集團有限公司，河南省許昌市461000;2．國網重慶市電力公司電力科學研究院，重慶市401121)

0 引 言

隨著資源節約型、環境友好型社會建設的逐步推進，“節材、節地、節能”等要求日益凸顯［1］。變電站建設趨向于土地占用少、工程造價低、建設周期短、運維便捷等特點，新技術、新材料的發展也為變電站建設模式改變創造了條件［2］。通過優化智能變電站布局，逐步推進二次設備就地化，是智能變電站建設模式的發展方向之一［3］。

二次設備就地化有利于節省電纜，簡化二次回路，使二次回路更加清晰、簡單、可靠;減少主控室、保護小室建筑面積，節約投資;減少施工的工作量，方便運行維護［4］。

二次設備下放到高壓配電區中安裝，電磁和氣候環境惡劣，需要采取合理的抗干擾和溫濕度防護措施，保障設備安全運行。目前，二次設備就地化防護方案主要有以下3 種。

(1)保護小室。保護小室設置在高壓配電區內，采用導電或導磁的封閉面對內外空間進行電磁隔離［5］。電場屏蔽的屏蔽體主要由良導體制成，并良好接地，形成零電位法拉第籠;磁場屏蔽的屏蔽體主要由高磁導率的金屬材料制成。保護小室多應用于220 kV 及以上變電站，對二次設備防護效果好。對于低電壓等級變電站，由于二次設備不多，占地面積小，不宜采用保護小室模式。

(2)戶外柜。戶外柜由金屬或非金屬材料制成，其內部可安裝就地化二次設備及其他配套設備，能為內部設備提供可靠的機械和環境保護的戶外柜體［6］。戶外柜配置溫濕度控制系統，能夠根據柜內溫度、濕度變化自動進行調節，為柜內設備提供合適的溫度、濕度環境。

(3)無防護方案。美國GE 公司研制了可以無防護安裝的就地化設備，無須配置戶外柜進行防護，安裝更加簡便，對安裝環境要求低。

綜上所述，保護小室防護方案增加了變電站建筑面積，土建周期長;戶外柜防護方案按間隔配置，柜體數量多，而且環境防護效果有限，在風沙、雨雪等惡劣天氣下設備運維管理不便［7］;無防護方案硬件成本高，經濟性差，不利于推廣。針對上述問題，本文通過研究溫度、濕度、電磁干擾對二次設備的干擾機制，結合重慶大石220 kV 智能變電站建設情況，綜合考慮可靠性和經濟性，提出了一種預制艙防護方案，具有布置緊湊、經濟性好、防護效果明顯、可廠內預制生產、建設周期短等特點。

1 氣候和電磁環境對設備的影響

1.1 溫度的影響

(1)溫度對半導體器件的影響。半導體器件對溫度反應很敏感，過高的溫度會使器件的工作點發生漂移、增益不穩定、噪聲增大以及信號失真，嚴重時引起熱擊穿。

(2)溫度對電阻器件的影響。溫度升高，會使電阻的使用功率下降，導致其壽命降低。溫度每升高或降低10 ℃，阻值變化1%。

(3)溫度對電容器件的影響。溫度對電容器件的影響，主要是降低使用壽命。在超過規定允許溫度范圍工作時，溫度每升高10 ℃，壽命降低一半。

在無散熱措施下，對戶外柜進行溫升測試，數據統計如圖1 所示。測試環境:柜體完全封閉，無任何散熱措施，放置于戶外無遮蔽場所;柜內4 臺設備，每臺功耗60 W，總功耗240 W 左右;測試地點在許昌。室外溫度由溫度計測得，柜內溫度由溫度傳感器測得，外側壁、門外側溫度由紅外測溫儀測得。

圖1 戶外柜溫升趨勢圖Fig.1 Temperature trend of outer chamber

測試結論:如果不配備散熱措施，柜內溫度將逐步攀升，使柜內設備處于高溫環境下運行，可能導致設備因溫度過高而“死機”，降低就地化設備可靠性。

1.2 濕度的影響

空氣濕度接近或達到飽和時，會在元器件、PCB上產生凝露現象，造成絕緣材料表面的電導率增加，體積電阻率降低，介質損耗增加，導致電氣短路、漏電或擊穿等，增大元件偶然失效的幾率，縮短設備的平均故障間隔時間tMTTR。

1.3 電磁環境的影響

(1)一次設備運行。變電站中運行的線路、母線會產生工頻磁場，電壓等級越高，電場強度越大。不良氣候條件下導線上的電暈、連接不緊密處金屬部件的放電、臟污外絕緣表面的局部放電等都可成為頻譜寬的干擾源［8］。

(2)開關操作。變電站內斷路器、隔離開關等一次設備在投切操作時，由于感性負載存在，觸頭間會產生一系列電弧，在被斷開或充電的母線上引起一系列的高頻電流波和電壓波，并以暫態電磁波形式向周圍空間輻射，通過連接在母線上的互感器耦合至二次回路［9］。

(3)雷電。雷擊暫態過電壓以大氣行波的方式向變電站傳播，不僅直接作用至一次設備，而且通過CT、PT 或一、二次系統間的各種耦合途徑，或接地網進入二次回路。如果受影響的設備阻抗較高，則設備承受雷擊電壓脈沖;如果受影響的設備阻抗較低，則設備承受雷擊電流脈沖，引起變電站地電位升高及地電位差［10］。

(4)系統短路故障。系統短路時，大電流經接地點進入接地網，引起接地點乃至整個接地網電位升高，在二次回路中產生共模干擾電壓［11］。統計表明，變電站內高壓母線接地時，在二次電纜上產生的干擾電壓峰值可達到幾十V 到1 萬多V，暫態電壓的頻率可達幾百kHz。

(5)干擾電壓。電磁感應產生的干擾電壓，是由于一次回路和二次回路之間存在互感引起的。干擾電壓的大小與一二次回路間的互感阻抗、干擾源電流的大小、頻率以及一二次回路的相對位置有關。控制電纜和干擾源導線平行時的電磁干擾，如圖2所示［12］。

圖2 設備之間的干擾電壓Fig.2 Interference voltage between devices

若干擾源流過按正弦規律變化的電流，則一、二次回路間的互感M 按公式(1)計算:

式中:μ0為空氣的導磁系數;L 為平行的電纜芯長度;a、b 為每根電纜芯與干擾源的距離。

此時，負載上的干擾電壓按公式(2)計算:

電磁感應引起的干擾電壓足夠大時，可能會導致有關設備的誤動作和絕緣擊穿。

2 預制艙防護方案

2.1 預制艙組成

預制艙整合了戶外柜和集裝箱的優勢，由艙體、保護屏體、艙內配套設備、電磁屏蔽、防雷及接地等組成。艙內配套設備主要包括照明系統、空氣調節系統、防靜電地板、消防系統、監測采集設備等(見圖3)。上述設備及艙內保護屏體，可以在工廠內完成整體的制造、安裝和配線，作為一個整體運輸到施工現場，進行安裝、接線和調試，可大幅縮短建設周期。

預制艙內部空間大，可容納多面柜體，能夠同時為多個間隔的就地化二次設備提供防護。

圖3 預制艙組成Fig.3 Composition of precast chamber

2.2 預制艙尺寸

根據《超限運輸車輛行駛公路管理規定》，以下幾種情況屬于超限運輸:車貨總高度從地面算起4 m以上;車貨總長18 m 以上;車貨總寬度2.5 m 以上。為避免大件運輸的問題，預制艙的尺寸可借鑒現有集裝箱的標準尺寸，采用以下3 種尺寸。

(1)20 尺預制艙:6 058 ×2 438 ×2 896(mm);

(2)30 尺預制艙:9 125 ×2 438 ×2 896(mm);

(3)40 尺預制艙:12 190 ×2 438 ×2 896(mm)。

2.3 預制艙性能要求

預制艙安裝在配電裝置區，為就地化二次設備提供可靠的防護措施，確保二次設備安全運行，應滿足以下性能要求:

(1)使用壽命不低于20年;

(2)防護性能不低于IP55;

(3)溫濕度控制系統方案應因地制宜，根據不同地域的環境條件選擇切合實際的方案，保證預制艙內溫濕度環境滿足設備運行和運維的要求;

(4)電磁屏蔽方案應設計合理，保證預制艙內設備在配電裝置區正常工作;

(5)配置視頻監控及火災報警系統，視頻和報警信息傳至智能輔助控制系統;

(6)配置應急照明系統和逃生門。

2.4 預制艙結構

(1)預制艙的結構設計應綜合考慮風荷載、地震作用，滿足抗風及抗震要求。

(2)預制艙基本結構分為整體式和拼裝式2 種。整體式剛性結構的箱體為鋼質，6 面封閉，安裝1 扇房門，底部留電纜進出口;拼裝式結構的箱體為板材、構件拼裝組成，5 面封閉，安裝1 扇房門，底部座在水泥基礎平面上。

(3)建議預制艙主體結構采用強度高、自重輕、整體性和抗震性好的鋼結構型，梁柱間采用焊接或螺栓連接。艙體底部可加設水平或縱向工字鋼或槽鋼，加強艙體的整體牢固性。

(4)建議預制艙頂部設計為斜頂結構，預防積水和積雪;斜頂與箱體采用緊固件連接方式，緊固件設計應考慮當地最大風速等天氣情況。

(5)為方便穩定起吊，預制艙底部設置伸縮式吊裝桿，吊裝時可方便的拉出。

2.5 艙體材料

為保證就地化二次設備在良好的環境條件下運行，預制艙需要進行隔熱處理，可以采用以下幾種方式:連接結構、木框結構、隔熱填充料、膠合板等，隔熱填充材料為聚苯泡沫板和聚氨酯等。

預制艙多采用金邦板做為艙體材料。金邦板以水泥、粉煤灰、硅粉、珍珠巖為主要原料，加入復合纖維增強，經真空高壓擠出成型，并經高溫高壓蒸氣養護、精細加工與多層噴涂而成;具有綠色環保、輕質高強、隔音隔熱、耐水防火、耐候抗凍等特點。

2.6 預制艙溫濕度控制系統

預制艙較戶外柜空間大，可供選擇的溫濕度控制系統比較多，按能耗從低到高主要有3 種溫濕度控制系統。

(1)全新風系統。由新風主機、風管路、閥門、排風機、控制系統組成。新風主機由取風口、過濾網、風機、濕膜加濕器等組成，詳見圖4。

圖4 全新風系統組成Fig.4 Composition of new wind system

(2)熱管節能轉換器。熱管由外殼、吸液芯和載熱工質3 部分組成，導熱能力強，是優良導熱體銀、銅的當量導熱系數的數百倍，能在溫差極小的情況下，傳遞熱流，詳見圖5。

圖5 熱管節能轉換器Fig.5 Heat pipe energy-saving converter

(3)空熱一體機。熱管系統和空調系統互為備用，可設定室外溫度低于30 ℃時，熱管啟動，空調不啟動;高于30 ℃時，由空調制冷。該機具有雙高效節能、無室外機、防盜、噪音低、蒸發器不過新風、冷凝器不易積塵等優點，詳見圖6。

圖6 空熱一體機Fig.6 Integration of air conditioning and heat pipe

為使箱體內部維持恒溫，艙內配置雙套空熱一體機，形成雙冗余備份，進行內部環境溫濕度控制。2臺空熱一體機的工作狀態按一定的邏輯程序控制，保證艙體內始終有1 臺正常運行，當1 臺出現故障時，及時切換至另外1 臺運行，同時發出故障警報，保障柜內環境的穩定。同時2 臺設定不同的啟動溫度，并與智能輔助控制系統進行聯動，可保證當邏輯控制系統發生故障，艙內溫度升至一定高度時，備用空調及時啟動，實現控制系統的雙冗余保障，大大提高了溫濕度控制系統的安全性。

2.7 預制艙電磁屏蔽

(1)預制艙艙體側壁、頂板采用全焊接結構，底部鋪設防靜電地板，形成可靠的六面屏蔽體;電纜進線口縫隙使用導電泡棉封堵，形成整體屏蔽;艙體進出風口裝金屬網，保證開孔屏蔽性能。

(2)預制艙內沿屏(柜)布置方向敷設專用接地銅排，每面屏體都應設置接地點，并首末端聯接后構成室內等電位接地網。預制艙及其內部設備在變電站內完成工作接地、保護接地、防雷接地、防靜電接地。

2.8 預制艙屏柜布置方案

預制艙內屏柜布置分為單列布置和雙列布置，其中雙列布置分為搖架式機柜雙列布置、前接線式雙列布置、雙列布置側開門(裝置背板朝外)，各有優缺點。

(1)屏柜單列布置。預制艙內沿長度方向布置1 列柜體，采用并柜聯接，其中，屏柜距預制艙背面距離為600 mm，作為維護通道，屏柜距預制艙前側距離大約為1 100 mm，用于調試、操作，預制艙柜體單列布置見圖7。

圖7 預制艙柜體單列布置Fig.7 Single row layout of precast chamber

屏柜單列布置的優點是艙內柜體可采用傳統設計，運維通道空間大，便于運維;缺點是不能有效利用艙體空間，艙內可安裝的柜體數量少，不適用于柜體數量多的場合。

(2)搖架式屏柜雙列布置。搖架式機柜通過把二次設備布置于機柜門上，解決機柜單側開門所帶來的背面接線困難的問題，主要應用于只有一側開門的機柜上。

在智能變電站中，裝置的輸入輸出主要采用光纖。搖架式屏柜柜門的每一次開關對光纜和接頭都有牽拉作用，影響光纖壽命和連接點牢固度，因此國內智能站較少采用前開門屏柜方案，缺乏運行經驗。

(3)前接線式屏柜雙列布置。二次設備前接線的方案是指艙體內屏柜采用雙列靠墻布置，屏體在預制艙內側開門，設備接線、液晶顯示及按鍵操作都在預制艙的內側。該方案可充分利用預制艙的空間，實現單艙體安裝設備數量的最大化，很好地解決了艙內屏體數量與運維空間的矛盾，預制艙柜體雙列布置如圖8 所示。

本方案主要基于以下原則:

1)液晶控制面板作為裝置的管理終端應與裝置一一對應，并由單獨的電源模塊供電，滿足二次設備在電磁兼容方面的技術要求;

2)液晶面板及指示燈的顯示應直觀可視，滿足運行人員對二次設備巡視要求;

3)液晶面板操作及裝置接線應便于操作和維護，滿足調試檢修人員對二次設備維護及操作的要求;

4)液晶控制面板與裝置連接應可靠牢固。

圖8 預制艙柜體雙列布置Fig.8 Double row layout of precast chamber

(4)雙列布置側開門。艙內屏柜采用普通規格，取消后門，機柜后部靠近艙體側壁，后方敞開，維護時打開艙體側門進行操作。其優點是裝置的安裝組屏方式與現有習慣一致，機柜總體設計布線方式與現有產品一致;現有保護及測控裝置可繼續使用，無須調整(見圖9)。

圖9 雙列布置側開門Fig.9 Double row layout and side door of precast chamber

綜合考慮技術可靠性和先進性，重慶220 kV 大石變電站預制艙采用了前接線式屏柜雙列布置和雙列布置側開門相結合的方式，為優化預制艙內屏柜布置方案提供了實踐經驗。

2.9 預制艙技術優點

針對不同的使用要求，預制艙有各種形式，但就其產生的功用和對就地化二次設備的工作環境的保護而言，具備以下優點:

(1)預制艙實現了“工廠化加工、裝配式建設”，減少了現場二次接線、調試、施工工作量，推進了現場機械化施工，縮短建設周期，提高了智能變電站建設效率。

(2)預制艙減少外部自然環境、機械環境對就地化二次設備的影響，具備良好的電磁屏蔽能力和接地性能，為就地化二次設備提供一個能夠正常工作的環境條件。

(3)預制艙為運維人員創造了一個良好的工作環境，有利于雨雪等惡劣天氣下對戶外設備進行維護。

3 結 論

本文總結了近年來智能變電站二次設備就地化防護技術現狀，研究了溫度、濕度、電磁干擾等對二次設備的干擾機制，綜合考慮可靠性和經濟性，提出了一種預制艙防護技術方案。通過研究得到以下結論:

(1)預制艙防護技術方案的應用將進一步推進智能變電站“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”的目標，具有結構緊湊、經濟性高、防護好、可廠內預制生產、施工周期短等特點;

(2)預制艙防護技術方案有效提高了智能變電站建設效率，降低了智能變電站建筑面積、工期、投資等指標，具備推廣應用的價值。

［1］宋璇坤，沈江，李敬如，等．新一代智能變電站概念設計［J］． 電力建設，2013，34(6):11-15．

［2］宋璇坤，李敬如，肖智宏，等． 新一代智能變電站整體設計方案［J］．電力建設，2012，33(11):1-5．

［3］柳國梁，張新育，胡兆明．變電站模塊化建設研究綜述［J］．電網技術，2008，32(14):36-38．

［4］陳萍，張繼軍，郭文忠，等．數字化變電站保護下放問題探討［J］．電力系統保護與控制，2009，37(1):98-100．

［5］蘇國梁，龐春，趙春剛.500 kV 變電所保護小室設計及抗干擾措施［J］．中國電力，2003，36(12):45-48．

［6］錢玉春，袁敬中，趙琳，等． 唐山郭家屯220 kV 數字化變電站建設及應用［J］．電力系統自動化，2009，33(24):94-97．

［7］劉嬌．智能變電站建設方案的研究［J］． 華東電力，2010，38(7):974-979．

［8］鞏學海，何金良．變電所二次系統電磁兼容抗擾度指標分析［J］．高電壓技術，2008，34(11):2412-2416．

［9］黃益莊．變電站智能變電子設備的電磁兼容技術［J］．電力系統保護與控制，2008，36(15):6-9．

［10］李樂樂，謝志遠，李娜． 變電站二次設備的抗干擾性研究［J］． 電測與儀表，2008，45(506):37-40．

［11］吳小忠．變電站二次系統的干擾及其防范［J］． 電力系統保護與控制，2008，36(16):93-98．

［12］宋繼成．220 ～500 kV 變電所電氣接線設計［M］.2004年版． 北京:中國電力出版社，2004．