智能變電站戶外智能控制柜微環(huán)境控制系統(tǒng)運行分析

王成智，汪 洋，杜鎮(zhèn)安，葉龐琪，肖 繁,陳 可

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；3.國網(wǎng)荊門供電公司，湖北 荊門 448000）

0 引言

智能變電站普遍采用過程層設備就地布置的形式，合并單元、智能終端以及在線監(jiān)測裝置安裝于戶外智能控制柜中，面臨高溫度、高濕度、強電磁干擾等惡劣運行環(huán)境的挑戰(zhàn)[1-2]。溫濕度控制系統(tǒng)負責調(diào)節(jié)智能控制柜內(nèi)環(huán)境溫度和濕度，是改善戶外智能設備運行環(huán)境的技術(shù)手段，其運行狀況對智能變電站安全運行有重大影響。近年來，湖北省相繼發(fā)生數(shù)起因智能匯控柜環(huán)境控制系統(tǒng)設備故障導致的二次設備損毀和一次設備強迫停運事件，該類設備的選型設計、運維管理等工作得到了各級管理和技術(shù)人員的高度重視。本文分析了內(nèi)部環(huán)境對智能控制柜的運行影響，對比分析了常見環(huán)境控制方式的基本原理和優(yōu)缺點，列出了現(xiàn)行制度和標準對環(huán)境控制的要求，調(diào)研分析了省內(nèi)智能匯控柜的環(huán)境控制系統(tǒng)配置情況，指出了運行中存在的主要問題，提出了改進措施，對于提升智能匯控柜的運行安全穩(wěn)定性具有一定的指導和借鑒意義。

1 智能控制柜微環(huán)境影響分析

智能控制柜微環(huán)境對二次設備作用的因素主要有高溫、低溫、濕度、氣壓等，其中對電氣元器件可靠性影響最為顯著的環(huán)境因素是高溫、高低溫變化、濕熱。高溫應力能使產(chǎn)品材料的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、電性能發(fā)生很大的變化，從而導致暫時或永久性損傷或失效。戶外二次設備多采用“開關電源+印制電路板”的設備形式，廣泛使用了電解電容、功率場效應管、二極管、磁性元件、芯片的基本元器件。在這些基本元器件中，電解電容是不可或缺的組成部分；隨著電解電容溫度的升高，其壽命將以指數(shù)形式呈現(xiàn)明顯衰減趨勢[3]。高低溫變化對電子產(chǎn)品也會產(chǎn)生一定影響，由于溫度漲落，在產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生循環(huán)應力應變，由此導致彎曲變形、裂紋或斷裂熱疲勞失效。濕度過大，大氣中的氧、二氧化碳等氣體或塵埃、鹽分等雜質(zhì)的污染，會加劇產(chǎn)品的電化學腐蝕，且可能出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，影響設備壽命。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，220 kV棗山變、110 kV高城變曾發(fā)生過因控制柜柜內(nèi)溫度過高而導致的合并單元/智能終端損壞事件，一次設備受此影響發(fā)生非計劃停運；220 kV月陂、棗山變電站曾發(fā)生因溫度過高，導致的智能終端GOOSE斷鏈的事件，打開柜門通風散熱處理后，裝置恢復正常。高溫天氣，太陽直射導致智能控制柜面板發(fā)燙，長期的高溫易導致部分柜內(nèi)塑料材料老化，多地智能控制柜的端子排、硬壓板、操作把手等塑料件發(fā)生脆裂。

2 相關標準與制度對溫濕度要求

為了保障智能控制柜內(nèi)設備在一定周期內(nèi)運行正常，行業(yè)、企業(yè)相關標準和部分管理制度對智能控制柜的溫濕度控制均有要求，具體要求見表1。

表1 溫濕度的控制要求Tab.1 Temperature and humidity control requirements

3 戶外智能控制柜溫濕度控制方式

3.1 風機型戶外智能控制柜

風機型戶外智能控制柜采用風扇冷卻方式，內(nèi)部裝有風扇、加熱器等主要部件，降溫依靠風扇。通過風扇進行主動換氣，實現(xiàn)柜內(nèi)外空氣的對流，將室內(nèi)熱空氣排到室外，同時將室外的冷空氣抽入室內(nèi)，實現(xiàn)柜內(nèi)熱量的轉(zhuǎn)移。由于熱空氣集中在柜體上部，因此當風扇安裝于智能控制柜底部時，應向柜內(nèi)送氣；當風扇安裝于智能控制柜頂部時，應從柜內(nèi)抽氣。雖然風扇通風冷卻技術(shù)采用風扇對柜內(nèi)空氣進行主動換氣，但是其熱量的傳輸方向依然是從溫度較高的柜內(nèi)空氣向溫度較低的柜外空氣傳遞。根據(jù)這個傳遞的方向，風扇通風冷卻方式屬于被動式熱傳輸。風扇通風加快了這個被動式熱傳輸?shù)倪^程，但不能使得柜內(nèi)空氣溫度低于柜外空氣溫度。

風機型戶外智能控制柜優(yōu)點是風機結(jié)構(gòu)簡單，體積小，安裝、維護方便；能耗低；一次性投入成本低。缺點是:（1）受戶外氣溫影響較大，屬于被動冷卻，夏季高溫可能會導致戶外柜內(nèi)部氣溫過高，一般柜內(nèi)的氣溫會比柜外氣溫高出10℃；（2）風機散熱的戶外柜是一個開放的結(jié)構(gòu)，需要和外界進行氣體交換，防護等級低，灰塵、濕氣及腐蝕性氣體進入機柜內(nèi)部，容易積聚粉塵等污垢，并污染、腐蝕柜內(nèi)的元器件。因此，需要在進風口和出風口安裝過濾棉，而過濾棉需要定期的更換。一般來說，粉塵較多的地區(qū)不適合使用。

3.2 熱交換器型戶外智能控制柜

熱交換器型戶外智能控制柜采用熱交換器冷卻方式，內(nèi)部裝有加熱器、風扇和散熱片等主要部件，降溫依靠風扇和散熱片。整個空氣的循環(huán)過程分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)，柜內(nèi)空氣在熱交換器中的循環(huán)過程稱為內(nèi)循環(huán)，柜外空氣在熱交換器中的循環(huán)過程稱為外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)的空氣100%隔離。不同溫度的內(nèi)循環(huán)空氣和外循環(huán)空氣在各自風扇的驅(qū)動下利用由金屬材料制成的散熱片進行熱量交換，將熱量從溫度較高的柜內(nèi)空氣傳遞給溫度較低的柜外溫度。根據(jù)這個熱量傳遞的方向，熱交換器冷卻方式屬于被動式熱傳輸。熱交換器利用風扇和散熱片加快了這個被動式熱傳輸?shù)倪^程，但不能使得柜內(nèi)空氣溫度低于柜外空氣溫度。柜內(nèi)和柜外的空氣在100%隔離狀況下，以柜外的氣體作為冷源通過換熱器芯體將柜內(nèi)的熱量換到柜外，完成對柜內(nèi)氣溫的控制。

熱交換器型戶外智能控制柜優(yōu)點：（1）能耗較低，一般是風扇直通風的1.5～2倍；（2）防護等級高，內(nèi)外完全隔離柜內(nèi)的空氣質(zhì)量好，基本排除了灰塵對柜內(nèi)可能產(chǎn)生的污染。缺點是：（1）由于熱交換器的本質(zhì)是被動式熱傳輸，其冷卻效果也受柜體外部環(huán)境的影響，控制獨立性較差。夏天環(huán)境溫度過高時，將導致柜內(nèi)溫度過高。柜內(nèi)氣溫通常高于環(huán)境溫度10℃，當環(huán)境溫度較高時，柜內(nèi)溫度可能會超過55℃；（2）熱交換器的散熱片需要定期的維護，否則隨著灰塵的積聚會導致?lián)Q熱能力下降，可能造成隱患。

3.3 空調(diào)型戶外智能控制柜

空調(diào)型戶外智能控制柜進行制冷運行時，來自柜內(nèi)機蒸發(fā)器的低壓、低溫制冷劑氣體被壓縮機吸入壓縮成高壓高溫氣體，排入柜外機冷凝器，通過風扇的作用，與室外的空氣進行熱交換而成為中溫中壓的制冷劑液體，經(jīng)過毛細管的節(jié)流降壓、降溫后進入蒸發(fā)器，在室內(nèi)機的風扇作用下，與室內(nèi)需調(diào)節(jié)的空氣進行熱交換而成為低壓低溫的制冷劑氣體，如此周而復始地循環(huán)而達到制冷的目的[4-8]。

壓縮機將氣態(tài)的氟利昂壓縮為高溫高壓的液態(tài)氟利昂，然后送到冷凝器,散熱后成為常溫高壓的液態(tài)氟利昂。液態(tài)的氟利昂經(jīng)毛細管，進入蒸發(fā)器（例如，民用空調(diào)的室內(nèi)機），空間突然增大，壓力減小，液態(tài)的氟利昂就會汽化，變成氣態(tài)低溫的氟利昂，從而吸收大量的熱量，蒸發(fā)器就會變冷。室內(nèi)機的風扇將室內(nèi)的空氣從蒸發(fā)器中吹過，由于蒸發(fā)器的溫度低于室內(nèi)空氣溫度，從而熱量從室內(nèi)空氣傳遞到蒸發(fā)器中的氟利昂，最后室內(nèi)機吹出來的就是冷風。然后氣態(tài)的氟利昂回到壓縮機繼續(xù)壓縮，繼續(xù)循環(huán)。空調(diào)制熱的時候有一個叫四通閥的部件，使氟利昂在冷凝器與蒸發(fā)器的流動方向與制冷時相反，熱量傳輸?shù)倪^程也相反，所以制熱的時候室外吹的是冷風，室內(nèi)機吹的是熱風。

空調(diào)型戶外智能控制柜優(yōu)點：（1）制冷效果好，采用主動式熱傳輸技術(shù)，空調(diào)冷卻方式對柜內(nèi)溫度控制不依賴柜外環(huán)境，控制獨立性強，可以實現(xiàn)柜內(nèi)空氣溫度低于柜外溫度；（2）防護等級高，能阻止灰塵、濕氣及腐蝕性氣體進入機柜內(nèi)部。缺點：（1）能耗一般較高；（2）溫度降低導致柜內(nèi)空氣相對濕度上升，需采取更多的濕度控制措施。

4 省內(nèi)智能控制柜環(huán)境控制系統(tǒng)情況

4.1 戶外智能控制柜環(huán)境控制系統(tǒng)配置情況

截至2016年6月，全省智能控制柜采取的環(huán)境控制方式具體情況如表2所示：

表2 湖北電網(wǎng)戶外智能控制柜微環(huán)境控制方式Tab.2 Hubei power grid outdoor intelligent control cabinet microenvironmental control mode

由表2可知湖北電網(wǎng)內(nèi)220 kV及以上電壓等級智能變電站全部采用熱交換器冷卻方式或空調(diào)冷卻方式，風扇冷卻方式僅存在于110 kV智能變電站。其中，500 kV戶外智能變電站的兩個電壓等級的智能控制柜中，熱交換器冷卻方式占87.5%，空調(diào)冷卻方式占12.5%；220 kV戶外智能變電站的兩個電壓等級的智能控制柜中，熱交換器冷卻方式占76.3%，空調(diào)冷卻方式占23.7%；110 kV戶外智能變電站中，風扇冷卻方式占5.7%，熱交換器冷卻方式占76.6%，空調(diào)冷卻方式占17.8%。

4.2 戶外智能控制柜環(huán)境控制系統(tǒng)存在的運行問題

根據(jù)2016年6月，全省智能控制柜環(huán)境控制系統(tǒng)運行情況來看，主要存在以下4個方面的問題：

（1）部分環(huán)境控制系統(tǒng)溫度控制效果不佳

黃石王家坳、南湖、太子變電站110 kV變電站智能控制柜采用風扇冷卻方式，室外溫度40℃，智能控制柜內(nèi)溫度可達50℃。宜昌遠安變電站智能控制柜采用熱交換器，測量艙內(nèi)溫度常常達到50℃。黃岡220 kV亮城變智能控制柜內(nèi)夏季溫度超50℃，設備運行環(huán)境不良。

（2）環(huán)境控制系統(tǒng)自身故障頻發(fā)

溫濕度控制系統(tǒng)易發(fā)風扇電機、溫控裝置/溫控芯片、控制主板、溫度探頭等故障或損壞，導致溫濕度控制系統(tǒng)常出現(xiàn)死機、故障報警、環(huán)境調(diào)節(jié)效果不理想等問題，部分設備可能發(fā)生自燃或損毀，嚴重情況下可能造成一次設備受累停運，故障缺陷在省內(nèi)各單位不同程度存在，增加了智能站運維工作量。220 kV熊家嘴變電站GIS匯控柜內(nèi)溫濕度控制器塑料部分全部燒熔，導致一次設備強迫停運。

（3）溫濕度控制系統(tǒng)運行狀態(tài)未全面監(jiān)控

經(jīng)調(diào)研，湖北省內(nèi)26.2%的220 kV智能變電站和37.7%的110 kV智能變電站監(jiān)控后臺無溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，即使在后臺顯示數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)顯示，也存在與實測數(shù)據(jù)差異較大的問題，大部分無法記錄歷史運行數(shù)據(jù)，設備狀態(tài)監(jiān)控主要依賴于運行巡視，導致設備故障缺陷難以及時發(fā)現(xiàn)，也不便于運行分析。

（4）溫濕度控制系統(tǒng)運維存在薄弱環(huán)節(jié)

湖北省內(nèi)智能控制柜溫濕度控制系統(tǒng)的設置基本依賴于廠家，運維人員對設置項目、設置定值、設置方法不夠熟悉，存在因設置不當而導致系統(tǒng)頻繁告警、運行不正常的現(xiàn)象。500 kV仙女山變電站曾發(fā)生設置為“抽濕”模式導致柜內(nèi)溫度過高的問題。且運維人員對溫濕度環(huán)境重視程度不夠，缺陷未能及時消除，導致設備運行環(huán)境劣化，設備故障、缺陷記錄信息不全，影響后續(xù)運行分析效果。

5 智能控制柜環(huán)境控制系統(tǒng)運行改進措施

5.1 加強設備運行情況比對分析

開展專題研究，對不同控制方式的控制效果進行數(shù)據(jù)比對分析，比較控制方式優(yōu)缺點，提出綜合控制策略；積累不同廠家設備運行數(shù)據(jù)，為全省智能控制柜微環(huán)境控制系統(tǒng)的設備選型提供依據(jù)。

5.2 強化設備信息上傳

研究信息上傳要素，提出便捷的實現(xiàn)方式，形成數(shù)據(jù)上傳標準，便于設備運行狀態(tài)比對分析，提前發(fā)現(xiàn)設備隱患缺陷。

5.3 提升設備運維水平

加強運維技術(shù)培訓，確保運維人員熟練運用、維護系統(tǒng)；注重環(huán)境控制系統(tǒng)缺陷及時消缺，在夏季高溫和冬季低溫天氣來臨前，加強設備運行狀態(tài)的巡視檢查。

6 結(jié)語

通過分析智能控制柜環(huán)境控制系統(tǒng)的必要性和環(huán)境對二次設備的影響，對比分析了常見控制方式的基本原理和優(yōu)缺點，列出了現(xiàn)行技術(shù)標準和管理文件要求，通過調(diào)研分析湖北省智能變電站控制柜的環(huán)境控制系統(tǒng)配置情況，指出當前該類控制柜主要存在溫度控制效果不佳、環(huán)境控制系統(tǒng)自身故障頻發(fā)、運行狀態(tài)未全面監(jiān)控、運維存在薄弱環(huán)節(jié)等4個方面的問題，提出了加強設備運行情況比對分析、強化信息上傳、提升設備運行水平的改進措施，對于提升智能匯控柜的運行安全穩(wěn)定性具有一定的指導和借鑒意義。