戶外電氣設備組件柜溫濕度控制技術研究

汪 洋，王成智,杜鎮安，洪梅子，劉 軍,陳建民

（1.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；3.深圳市英維克科技股份有限公司，廣東 深圳 518100）

戶外電氣設備組件柜溫濕度控制技術研究

汪 洋1，王成智1,杜鎮安2，洪梅子2，劉 軍3,陳建民3

（1.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；3.深圳市英維克科技股份有限公司，廣東 深圳 518100）

隨著智能電網的快速發展，越來越多的微機型智能電氣設備就地安裝于戶外電氣設備組件柜中，內部溫濕度控制的合理性直接影響設備的安全穩定運行。分析了戶外柜內溫度和濕度的影響因素，提出了空調型電氣設備組件柜的濕度控制優化方案，并針對空調型的電氣設備組件柜進行了深入的分析，結合現場的測試數據進行論證，明確了方案的可行性。通過分析確定合理的空調選型方法，為后續空調的選型提供了參考依據。

智能電網；戶外電氣設備組件柜；溫度；濕度

0 引言

隨著智能電網的快速發展，越來越多的微機型智能電氣設備（以下簡稱智能設備）由戶內屏柜安裝形式轉變為戶外電氣設備組件柜安裝形式[1-2]，電氣設備運行環境受戶外環境影響的程度顯著增強，需要對柜內微環境進行溫度控制、濕度控制、防凝露處理等綜合治理。本文針對溫度控制方面，分析了影響戶外電氣設備組件柜（以下簡稱戶外柜）柜內溫度和濕度的主要因素，研究了空調型溫濕度控制系統選型方法。

戶外柜在無遮擋的情況下，受到太陽輻射以及設備本身耗散的熱量作用使得密封機柜內部的溫度有可能超出設備允許的范圍，裝置長時間在超高溫環境下運行，會降低元器件的性能以及壽命[3-4]，進而導致裝置故障，降低整個二次系統的穩定性，甚至造成重大安全事故。隨著戶外柜國家標準《電力系統繼電保護及安全自動裝置戶外柜通用技術條件》（GB/T 34125-2017）的發布，采用空調型溫濕度控制系統的戶外柜越來越多。合理的選擇空調功率非常重要，功率太小制冷量無法保證，功率過大，在空調啟動的瞬間對柜內的濕度沖擊較大。因此，對戶外電氣設備組件柜空調散熱進行研究是很有意義的。

1 影響戶外柜柜內溫度的主要因素

1.1 太陽輻射對戶外柜的影響及改善措施

對戶外柜而言，太陽輻射是其熱設計必須考慮的重要一環[5-7]。當太陽射線照射到戶外柜表面時，一部分被吸收，一部分被反射，二者的比例取決于表面材料的種類、粗糙度和顏色，表面越粗糙、顏色越深，吸收的太陽輻射熱量越多。同一材料對于不同波長的輻射光的吸收率也是不同的，黑色表面對各種波長的輻射幾乎全部吸收，而白色表面對不同波長的吸收率不同，對于可見光幾乎90%都反射回去。所以戶外柜表面最好為白色和相近色，以減少進入戶外柜內部的太陽輻射熱。表1列舉了常用戶外柜材料及表面顏色的吸收率。

表1 不同表面太陽輻射吸收率Tab.1 Solar radiation absorptivity with different surfaces

戶外柜表面所吸收的太陽輻射熱量可按下式計算,

式中：Qα為戶外柜表面所吸收的總太陽輻射熱；αsol為戶外柜表面的太陽輻射吸收率；Qsun為照射到戶外柜表面的總太陽輻射熱，包括太陽直射、散射到戶外柜表面以及周圍其它表面反射的太陽輻射熱。

戶外柜表面材料在太陽照射下達到熱穩態后，將相應的參數代入式（4），可得到柜體表面溫度升高后的溫度值t2。戶外柜內部接收的太陽輻射熱量 Q太陽輻射，可通過式（5）計算得出。

式中：C為戶外柜材料的比熱容；m為柜體的質量；t2為戶外柜表面太陽照射后的外表面溫度穩定值；t1為戶外柜表面沒有太陽照射時的外表面溫度穩定值；t3為戶外柜內表面的溫度穩定值；I0為太陽輻射強度，可從當地的氣象資料中查取；A為不同表面在垂直太陽直射方向上的投影面積；θi為太陽光與地平面法向夾角；Q太陽輻射為戶外柜內部因太陽輻射而吸收的熱量。

根據以上理論分析，可采取如下改善措施減少戶外柜內部接收太陽輻射熱量：（1）減少戶外柜接收的太陽輻射，例如加裝遮陽篷或遮陽罩等；（2）選用低太陽輻射吸收率的表面材料，例如采用淺色或白色的表面涂料；（3）表面加用對太陽輻射中可見光部分吸收比低的涂料，例如噴涂防太陽輻射納米涂料。

1.2 柜外空氣向柜內空氣傳遞的熱量

當戶外柜采用風機和熱交換器時，柜內空氣溫度一般高于柜外空氣溫度10℃左右，因此，熱量是從柜內傳遞到柜外。而空調型戶外柜在高溫天氣下，一般柜內的氣溫比柜外氣溫低，因此熱量是從柜外傳遞到柜內。傳遞的熱量可按下式近似計算

式中：QR為戶外柜傳熱量；k為對流換熱系數。

1.3 戶外柜內電氣設備發熱影響

戶外柜內部安裝有合并單元、智能終端等IED設備，廠家大量的試驗數據表明：現階段一般一個合并單元的發熱量在50 W左右，智能終端一般少于合并單元，110 kV間隔的戶外柜柜內總發熱量一般不超過100 W，220 kV間隔的戶外柜柜內總發熱量一般不超過200 W。

1.4 柜內設備布局影響

電氣設備組件柜柜內設備的布局對柜內局部溫度亦有影響。不合理的布局將導致柜內空氣流通性較差，產生局部熱島現象。圖1給出了柜內電氣設備間距為1U及2U時的溫度場分布仿真結果（1U=44.45 mm）。

圖1 柜內智能設備不同間距對柜內溫度的影響Fig.1 Effect on the temperature with different spacing of IED in outdoor control cabinet

由圖1可知，當間距為1U時，最高溫度為60.01℃；當間距為2U時，最高溫度為51.19℃。間距從1U增加到2U，最高溫度降低了8.82℃，緩解了局部過熱現象。這是因為智能設備間安裝有走線槽，走線槽會阻礙空氣流通，降低智能設備散熱效率。當間距從1U變為2U時，釋放的空間會改善空氣流通的途徑，增加了散熱效率，從而明顯降低了智能設備的最高溫度。可見柜內智能設備布局的合理性，會明顯影響柜內空氣的流通性，進而影響柜內局部溫度。

1.5 小結

戶外柜柜內溫度取決于從柜外進入柜內的熱量（包括太陽輻射和熱傳導的熱量）加上內部設備發熱量與溫濕度控制系統從柜內傳到柜外的熱量之差。若要降低戶外柜柜內溫度，一是要減少進入戶外柜的太陽輻射熱量，二是要盡量使柜內熱量排到柜外。此外，柜內智能設備安裝時應盡量選用合理的間距設置，從而有效降低局部熱島現象出現。

2 濕度對戶外電氣設備組件柜的影響

戶外電氣設備組件柜如果設計不當會產生凝露現象，凝露問題極大地威脅著電網的安全，為保證戶外柜內部裝置的絕緣水平,保證內部裝置可靠工作,必須采取正確的方法，避免戶外柜內部凝露現象。

2.1 溫度、相對濕度和露點關聯分析

濕空氣的溫度、相對濕度和露點的相關數據如圖2所示。

圖2 溫度、濕度、露點關聯圖Fig.2 Temperature,humidity,dew point correlation chart

從圖2可以看出：（1）在溫度不變的條件下，空氣中的相對濕度越高，凝露溫度越接近環境溫度，凝露就越容易發生。（2）形成結露的露點溫度始終是低于環境溫度。所以，空氣的溫度高，能夠包含的水蒸汽就多。反之，空氣溫度低，盡管只有少量水蒸汽，空氣也能夠達到飽和。同樣道理，即使濕空氣本身沒有達到過飽和，而與濕空氣接觸的物體表面及內部冷卻到低于濕空氣的飽和溫度時，則在物體表面附近空氣中所含的水蒸汽也會凝結成水。即使接觸到比濕空氣露點溫度低一點點的物體，結露也會發生。

避免凝露的措施：（1）降低相對濕度：溫濕度控制器+加熱器解決方案，即用溫濕度控制器監視戶外柜內部的濕度，當相對濕度達到了80%RH時，啟動加熱器將柜內的氣溫升高，進而降低柜內的相對濕度；(2）降低絕對濕度：用除濕器或者是溫濕度兩路控制的空調機將柜內空氣中的水蒸汽析出，降低柜內空氣的絕對濕度。

南方地區氣溫較高濕度較大，尤其是梅雨季節濕度持續較大，建議采用降低絕對濕度的方案。

2.2 空調型戶外柜濕度控制優化方案

風扇、熱交換器和空調型的戶外柜中，空調型的濕度控制問題較為突出，通過對空調機的啟動模式進行優化來改善控制效果。由原先的單路溫度檢測，優化為溫濕度兩路檢測，并增加溫度補償功能解決梅雨季節低溫高濕的問題。具體的空調壓縮機啟動方式優化如圖3和圖4所示。

圖3 優化前空調啟動模式邏輯圖Fig.3 Optimize the pre-air conditioning start mode logic diagram

圖4 優化后空調啟動模式邏輯圖Fig.4 Optimized air conditioning start mode logic diagram

通過對空調的啟動模式的優化，可以將戶外柜內的溫度和濕度均控制在合理的范圍之內，有效地完成梅雨季節濕度的控制。

3 空調選型

3.1 空調制冷量的理論計算

220 kV智能變電站850 mm×850 mm×2 000 mm戶外柜表面積A=7.3 m2,環境溫度T0=45℃，柜內總熱量為QI=200 W；戶外空氣傳導熱量QR=k×A×△T=2×7.3×10=146 W；Q總=QI+QR+QS=595.4 W。考慮到空調運行后期效率的降低取安全系數Ka=1.3，則空調的制冷量 Q=Ka×Q總=1.3×595.4=774 W，應該選擇800 W制冷量的空調。

表2 7～8月戶外柜溫濕度統計表Tab.2 7～8 months outdoor cabinet temperature and humidity statistics table

3.2 各個變電站戶外柜實測數據分析

對戶外電氣設備組件柜的溫度觀測采取環境溫度測溫方式進行測試數據統計分別如下。

1） 熱交換器型和空調型戶外柜溫濕度數據對比

在“迎峰度夏”期間，利用溫度記錄儀連續采集了從7月24日至8月29日一個多月每天的熱交換柜和空調柜溫濕度情況,統計見表2，曲線見圖5、圖6。

熱交換柜溫度比戶外環境溫度平均高4.8℃；空調柜平均溫度32.6℃，波動在±2℃，控溫較穩。

熱交換柜濕度控制較好，變化幅度比戶外平緩，平均濕度比戶外低13.2%；空調柜濕度與戶外環境濕度接近，平均在55%左右，但變化劇烈，控制較差。

2）空調型戶外柜溫濕度分析

截取記錄中溫度較高的8月12日數據，繪制24 h溫濕度變化曲線圖見圖5和圖6。圖5表明，空調柜控溫理想，溫度在32℃左右，波動較小。

圖5 24 h溫度變化曲線Fig.5 24 hours temperature change curve

圖6 24 h濕度變化曲線Fig.6 24 hours humidity change curve

24 h濕度曲線再次表明，熱交換柜內濕度低于戶外環境濕度，曲線跟隨戶外環境濕度波動，可控；而空調柜對濕度控制較差，有非線性特性，波動明顯。但濕度均在電子設備工作的正常范圍內。

4 結語

隨著國內智能電網的快速發展，戶外電氣設備組件柜用量越來越大，本文分析了戶外柜內溫度和濕度的影響因素，提出了空調型電氣設備組件柜的濕度控制優化方案，并針對空調型的電氣設備組件柜進行深入的分析，結合現場的測試數據進行論證，通過分析確定合理的空調選型方法，為后續空調的選型提供了參考依據。

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Research on Temperature and Humidity Control Technology for Outdoor Components Cabinet of Electrical Equipment

WANG Yang1,WANG Chengzhi1,DU Zhen’an2,HONG Meizi2,
LIU Jun3,CHEN Jianmin3（1.State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China;2.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;3.Shenzhen Envicool Technology Co.,Ltd，Shenzhen Guangdong 518100,China）

With the rapid development of smart grid,more and more microcomputer-based smart electrical equipments are installed in the outdoor components cabinet of electrical equipment.The rationality of the internal temperature and temperature control directly affects the safe and stable operation of the equipments.In this paper,the influencing factors of temperature and humidity of outdoor cabinet are analyzed,and the humidity control optimization scheme of air conditioning type electrical equipment assembly cabinet is put forward,the air conditioner type electrical equipment component cabinet is deeply analyzed.Combining with the test data,the feasibility of the scheme is clarified.The reasonable selection method of air conditioning is determined through analysis,which provides a reference for the selection of air conditioning system.

smart grid;outdoor components cabinet of electrical equipment;temperature;humidity

TM45

A

1006-3986(2017)05-0017-05

10.19308/j.hep.2017.05.005

2017-04-18

汪 洋（1963），男，湖北荊州人，學士，高級工程師。

國網湖北省電力公司科技項目“電氣設備組件柜微環境控制技術優化研究”（項目編號521532160014）。