智能變電站戶外智能控制柜設計研究

趙利軍

摘 要：智能變電站中智能IED設備需戶外就地安裝，在主控室外，溫度、濕度、日照、雨水等大氣環境的影響以及一次設備帶來的電磁干擾必須加以重視并進行充分的試驗考核，設計戶外智能控制柜就是要由柜體本身來承擔和消除由這些差異帶來對終端及保護等自動化裝置不利影響，即必須為這些設備提供接近室內的工作環境，提供全方位的防護，從而保證自動化設備及其他普通電氣設備在戶外條件下的正常運轉和工作。

關鍵詞：智能變電站；戶外柜；智能控制

1 成果特點

本設計課題是研究在智能變電站要求保護就地化安裝的戶外條件下，如何創造一個在保障現有的保護等安全、可靠地運行環境，就是要研究在戶外使用的智能終端及保護等自動化裝置與戶內使用有著完全不同的條件差異。智能變電站中智能IED設備需戶外就地安裝，在主控室外，溫度、濕度、日照、雨水等大氣環境的影響以及一次設備帶來的電磁干擾必須加以重視并進行充分的試驗考核，設計戶外智能控制柜就是要由柜體本身來承擔和消除由這些差異帶來對終端及保護等自動化裝置不利影響，即必須為這些設備提供接近室內的工作環境，提供全方位的防護，從而保證自動化設備及其他普通電氣設備在戶外條件下的正常運轉和工作。

本設計課題核心工作中戶外智能控制柜采用雙層殼體結構設計，有效的將機柜內部和外部的熱量傳遞進行隔離，為后續的柜內環境控制設計和機柜防護設計打下了基礎。采用了強迫通風散熱設計和創新的機柜防護技術，以低成本的模式，即完成了高防護水平要求又完成了通風散熱要求的同步實現，徹底解決了長期困擾結構設計的防護能力與通風散熱這一對矛盾，使機柜的防護能力達到了IP56。

（1）戶外柜采用防護水平IP56，EMC水平為2級；高性價比、低功耗的節能設計；全環境適應能力，能適應全國各地各種氣候條件；完備的信息交互，順應智能電網發展潮流；高可靠、免維護，為用戶提供超值的應用價值和無后憂便利條件。

（2）雙層柜體設計，既支持機柜的內部熱交換并可以減少陽光照射的影響，也可以提高機柜的防護等級。機柜利用了在一般大氣條件下，同為流體的空氣和水在受地球重力影響不同的特性，在機柜上所有進、出風通道上，創新的設計了迷宮式多重防水（M型防水）技術，為機柜達到IP56的防護等級創造了條件。

（3）開創了用低成本、高可靠、低能耗的強迫風冷技術進行環境調節，同時能達到高的防護等級。目前國內外多采用的是高成本、低可靠、高能耗的空調和換熱器技術。

（4）高可靠、高性價比的戶外柜技術，為保護及智能單元等裝置的安全運行提供了全方位的保障。透明化的智能信息交互，使運行人員在后臺輕松獲取戶外柜系統的實時信息，簡化了操作。自動化的濾網除塵系統，減少了現場運行人員的人力資源，降低了運行料耗和成本。

2 戶外智能控制柜運行環境優化措施設計課題研究

中國的國土幅員遼闊，氣候特征是氣象萬千，不同地域的環境條件差異很大。比如說中國北方冬天氣溫嚴寒，中國南方夏季高溫日照灼熱，西部的沙塵，東南部的潮濕和臺風加強降雨等。另外空氣中的污染物，像酸雨、鹽霧、工業粉塵，以及電磁干擾，時刻都會對戶外設備帶來有害影響。因此，變電站戶外智能控制柜就必須針對上述有害條件進行一體化整體設計，以達到保護柜內受保護的設備正常運行的目的。

另外，在和戶外柜配合方面，也有一些值得研究的內容，比如智能溫控系統要確保環境參數信息實時上傳能力：智能溫控裝置對柜體內部環境溫度、環境濕度，溫控電源、風扇狀態、加熱除濕狀態的實時監控和信息上傳能力，保證運行人員能隨時了解和記錄柜體內部環境，并在風扇卡死或加熱器損壞等故障情況下的時候采取人工干預措施等。綜合概括有如下幾個方面：

（1）高的防護等級：在不依賴額外的防護條件，僅通過通風散熱，機柜就能為柜內的自動化設備提供IP56的防護等級，為柜內設備提供更加潔凈的運行環境。機柜對柜內的溫度控制滿足下面第二條的要求，用簡潔低成本的方式即滿足高防護等級。

（2）智能化的柜內溫度控制系統：機柜應用戶外的極端自然環境溫度-40℃～+45℃（同時伴有強烈日照）下，機柜須采取必要的隔熱和通風散熱措施，再配以柜內溫度控制系統，有效地隔離柜內外熱傳導，并將柜內設備工作產生的熱量及時排出柜外，應能使柜內環境溫度在0℃～+45℃之間。

（3）高水平的EMC性能：機柜結構的EMC設計包括電磁屏蔽、功能性接地和靜電放電防護。為了滿足電氣的抗干擾要求，機柜整體必須具備可靠接地的能力，并且機柜的整體電磁屏蔽性能要好。每個重要的設備之間必須用電磁屏蔽板隔開，電磁屏蔽板又必須與機柜間達成可靠的電氣連接（即等電位要求）。

（4）持久的耐腐蝕和抗生化能力：機柜除了能隔離有害氣體和物質進入機柜內部，還要阻止動物（嚙齒動物、白蟻）與真菌進入機柜，保護功能設備免受這些生物的傷害。

（5）堅固耐用柜體和模塊化的結構設計：機柜采用雙層殼體設計，由內柜、防水頂蓋、底座、雙層側板和雙層前后柜門組成，柜體采用拼裝與焊接混合式結構。柜門由多點鉸鏈與機柜進行連接，柜門鎖與柜體采用多點鎖定。

（6）精良的制造工藝和美觀大方的造型：好的設計還需經優良的加工工藝來保證，特別是不銹鋼的加工及焊接工藝極為講究。不銹鋼板材在加工和焊接上要求比普通碳鋼高而且難度大，尤其是用于機柜外表的不銹鋼板是帶裝飾性的拉絲板，當采用免涂覆裸鋼板的工藝方案后，則必須消除不銹鋼板材的鈑金加工痕跡，不銹鋼焊縫不能影響板材的拉絲紋理。加工后的免涂覆不銹鋼還必須做到能防灰塵和油污以及人手指印痕的污染，當產生了上述的污染后，應能輕易地去除。

圖2戶外柜強迫風冷環境控制工作原理。該型戶外柜具有對外部環境一定的隔離功能，雙層柜體設計，防塵、防水、防太陽輻射。其工作模式為，當柜內溫度上升到某一溫度時，柜內風扇啟動，柜外新鮮空氣經過濾后由機柜下層進入柜內，將柜內熱氣從機柜上部排出到柜外，使機柜內部的溫濕度控制在一定范圍內。

在抑止凝露的產生方面，特設計了集成在溫控器內的溫濕度傳感器。凝露的發生機制是當含有較高濕氣的空氣，在周圍環境降溫時，水汽就會在提前冷卻的金屬表面凝結，此時是由濕氣與環境溫度共同影響凝露的產生。因此，只要適當地控制空氣的濕度與環境溫度的相關關系，即可解決凝露問題。例如在含有較高濕氣的環境下，隨著溫度的降低，空氣中的濕氣匯漸漸趨向飽和狀態，此時溫濕度傳感器探知凝露即將方式，自動接通柜內加熱器，使濕氣中的水分子應加熱而重新回到活躍狀態，終止了凝露的發生。同時，風機啟動，將經加熱的濕氣排出柜外。

3 戶外智能控制柜運行環境優化措施方案研究

目前國內外在智能戶外柜的環境控制上有如下3個技術模式：（1）空調冷卻技術；（2）熱交換器技術；（3）強迫風冷技術。

上述方案在設計性能、運行可靠性、生產成本、節能環保、后期維護等方面存在較大差異。

3.1 空調冷卻技術

空調的優點是溫控效果好，可有效的將柜內溫度控制在相對溫度的狀態。它是唯一一種能將智能柜內環境溫度降得比周圍大氣溫度低的模式，但其缺點是價格昂貴、能耗高，不符合當前綠色環保的科技主題。同時，空調有一定的損壞率，一般空調廠家對戶外空調的質保承諾均為1年，如空調發生故障，不僅現場維護困難，且由于沒有冗余設計，會使柜內溫控系統失效，產生重大安全隱患。見圖3。

3.2 熱交換器技術

熱交換器技術-此方案采用熱交換器來進行對機柜內部工作環境進行調節，防護等級可做到IP66。但該方案的價格較高，能耗低，但其熱交換散熱效率低、熱傳遞方向不受控。

特別是如果調試時空氣濕度較大，則當柜門關閉后，潮濕的空氣將始終在柜內循環，導致濕氣無法散出柜外，當白天溫度較高時，水蒸氣溶解在空氣中，而夜晚溫度較低的情況下，潮濕的空氣極易產生凝露現象，對柜內設備產生不利影響。

從圖4中可以看出，熱交換器式戶外智能控制柜環境控制系統采用的二次循環，分為內循環和外循環，內外循環是相互隔離的。

在可靠性方面，負責驅動內、外循環的兩個風扇電機，是屬于串行工作模式的，當其中任何一只出現故障，整個系統就失效。

熱交換器參數：換熱系數為80W/Km2；外部環境溫度39℃；裝置功耗4X37.5W；太陽輻射1100W/m2

見圖5所示，機柜內部上層空間的溫度達到了74℃。

3.3 強迫風冷技術

強迫風冷散熱技術是屬于直接散熱技術，他是將柜外冷空氣直接輸送到柜內，再將發熱設備進行冷卻后形成的熱空氣直接排除柜外。如圖6所示

在這里最關鍵的是保證機柜進出空氣的通風孔的防水和防塵設計上，同時還要做到空氣過濾裝置的自動除塵和免維護。

如圖6所示：

從圖6中可以看出，強迫風冷式戶外智能控制柜環境控制系統是將柜外的冷空氣直接吸入柜內，當然冷空氣在進入機柜是已被過濾裝置過濾了的。

在可靠性方面，負責驅動機柜頂部排氣的兩個風扇電機，是屬于并行工作模式的，當其中任何一只出現故障，另一只可繼續工作。而機柜在設計上就選定的只憑一臺風扇，機柜即可正常工作。

見圖7所示，機柜內部上層空間的溫度僅有44℃。

3.4 結論

經過綜合對比分析，選擇的是強迫風冷技術。強迫風冷散熱技術是屬于直接散熱技術，他是將柜外冷空氣直接輸送到柜內，再將發熱設備進行冷卻后形成的熱空氣直接排除柜外。

在這里最關鍵的是保證機柜進出空氣通風孔的防水和防塵設計上，同時還要做到空氣過濾裝置的自動除塵和免維護。

4 相關配套技術

4.1 迷宮式多重防水戶外機柜技術

由于空氣與水受重力影響的不同特性，采用多重插指型防水結構，使得外部的水經過多次折射后無法流入柜頂的通風口，而是自機柜四周的泄水槽排除柜外。同時由于空氣不受該結構的影響，仍可自由的排除柜外，從而達到防水的效果，經試驗防護等級可達IP56，即可防止圖示角度的猛烈噴水進入柜內。當出現風沙大，冰雪顆粒細小等極端氣候條件時也可為柜內裝置提供可靠的防護。

4.2 空氣濾網積塵的自動除塵系統技術

智能化自動控制空氣濾網積塵的除塵設計。具體是在濾網的指定位置，將由電源驅動的振動源所產生的振動作用在濾網上，振動源可由壓電陶瓷、電磁線圈或帶偏心塊的電機等器件所組成。當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；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。智能化自動控制空氣濾網積塵的除塵系統有如下兩種控制模式。（1）開環控制，既在智能控制模塊中預先設定除塵時間控制程序，振動源會按程序的設定起動，風機工作狀態也會按程序的設定進行調整。（2）閉環控制。在濾網上（或周圍）安置空氣流量探頭或灰塵感應器，當這些傳感器探查到灰塵聚積到一定程度時，智能控制模塊就會起動振動源和改變風機工作狀態。（3）新的空氣濾網積塵的除塵設計就是濾網（棉、器）自身的智能自動化除塵，實現了濾網的免維護和免更換，除塵效果好，達到了節省人力資源和材料的目的。

4.3 完備的信息交互能力

創新的智能溫控裝置設計，對柜體內部環境溫度、環境濕度，溫控電源、風扇狀態、加熱除濕狀態的實時監控和信息上傳能力，保證運行人員在后臺能隨時了解和記錄柜體內部環境，實現了機柜及柜內工作環境及工作狀態的后臺可視化。