基于熱管技術(shù)的大電流開關(guān)柜散熱驅(qū)潮系統(tǒng)設(shè)計

林 超

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

大電流開關(guān)柜由于長期高負(fù)荷運行發(fā)熱量過大，且濕、熱的空氣環(huán)境將會降低柜內(nèi)設(shè)備的絕緣強度。經(jīng)驗表明，如果開關(guān)柜內(nèi)溫濕度過大問題不加以控制，導(dǎo)致絕緣層加速老化，過熱程度不斷加劇，將逐漸引發(fā)事故[1]。另外，空氣過于潮濕還容易形成凝露，嚴(yán)重破壞了設(shè)備絕緣，易引發(fā)電弧、設(shè)備起火甚至爆炸等事故。因此，大電流開關(guān)柜的散熱問題和驅(qū)潮問題，是變電站運行維護(hù)的兩個關(guān)鍵問題[2]。

目前，針對大電流開關(guān)柜的散熱和驅(qū)潮問題，變電站采取了大量措施。現(xiàn)階段，主要散熱技術(shù)手段有：（1）高壓室加裝空調(diào)、風(fēng)機降低環(huán)境溫度；（2）對大電流開關(guān)柜加裝風(fēng)機等措施，對開關(guān)柜進(jìn)行散熱降溫；（3）裝設(shè)實時監(jiān)控系統(tǒng)檢測柜內(nèi)溫度來進(jìn)行運行維護(hù)等。驅(qū)潮措施主要是裝設(shè)驅(qū)潮器來防止凝露現(xiàn)象。

上述措施使得開關(guān)柜發(fā)熱和潮濕問題得到了一定緩解。現(xiàn)階段，已有技術(shù)措施已能夠?qū)⒏邏菏沂覝乜刂圃谡７秶?0 ℃以下）內(nèi)，但開關(guān)柜表面溫度卻依然保持在較高水平，如圖1所示。同時，因過熱或凝露引起的開關(guān)柜事故還時有發(fā)生。由圖1易見，高壓室室內(nèi)環(huán)境溫度在30 ℃左右，滿足開關(guān)柜運行環(huán)境要求的0～40 ℃要求，而開關(guān)柜柜面的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，最高溫度達(dá)到51 ℃。綜上所述，目前大電流開關(guān)柜散熱瓶頸主要是開關(guān)柜內(nèi)電氣設(shè)備發(fā)出的熱量無法較好地散出柜外[3]。

圖1 大富站501開關(guān)柜近期測溫結(jié)果表

大電流開關(guān)柜的驅(qū)潮器通過加熱柜內(nèi)溫度來防止水蒸氣形成凝露，卻不能解決柜內(nèi)高溫高濕度運行環(huán)境對設(shè)備的影響。因此，驅(qū)潮器也不能杜絕開關(guān)柜內(nèi)凝露的形成[4]。結(jié)合現(xiàn)場運行維護(hù)經(jīng)驗和基本理論分析，開關(guān)柜的散熱和驅(qū)潮困難主要原因如下。

（1）為滿足防爆要求，開關(guān)柜殼體采用金屬鎧裝敷鋁鋅鋼板形成密閉的空間，影響了開關(guān)柜散熱。

（2）金屬全封閉開關(guān)柜需具有IP3X的防護(hù)等級，使得開關(guān)柜的散熱口設(shè)計較小，導(dǎo)致柜內(nèi)通風(fēng)氣道不足，大大降低了散熱風(fēng)機的散熱能力。此時，即使配備大功率風(fēng)機，但由于風(fēng)道過小，風(fēng)機會產(chǎn)生較大震動，發(fā)出嗡嗡的噪聲，不僅降低風(fēng)機壽命，而且不能達(dá)到期望的散熱效果。

（3）驅(qū)潮器濕度傳感器靈敏度低，低驅(qū)潮能力低。同時，驅(qū)潮器也不能改善柜內(nèi)高溫高濕度環(huán)境。

綜合上述研究背景和研究現(xiàn)狀可知，在不破壞開關(guān)柜防護(hù)等級的前提下，設(shè)計一種更有效的散熱驅(qū)潮系統(tǒng)十分必要。針對這一問題，引進(jìn)熱管技術(shù)，利用PLC控制系統(tǒng)，設(shè)計了一種適用于大電流開關(guān)柜的散熱驅(qū)潮系統(tǒng)。該系統(tǒng)附在開關(guān)柜后柜門上，能夠?qū)﹂_關(guān)柜進(jìn)行有效降溫，放置吸附劑后能夠吸收開關(guān)柜內(nèi)濕氣，達(dá)到散熱和驅(qū)潮的雙重效果。

1 熱管技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)

熱管是世界上迄今所知的傳熱速度最快的傳熱元件，被稱為“熱超導(dǎo)管”。它傳熱效率高，沿軸向的等溫特性好，但熱耗散效率比同質(zhì)量的銅散熱器大2～3個數(shù)量級。因熱管具有熱響應(yīng)速度快、熱傳輸量大、不需要主動元件、本身不需要耗能和可變換熱流等優(yōu)點，自20世紀(jì)70年代商業(yè)化應(yīng)用以來，得到了各方面的重視。

熱管是一個密閉封焊的蒸發(fā)冷卻器件，由密封管、吸液芯和蒸汽通道組成。制造時，管內(nèi)抽成負(fù)壓后，放入適量可以汽化的工作液體（如水、乙醇、氟利昂等），使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體并加以密封，如圖2所示。從軸向看，管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），中間為絕熱段。工作時，外部熱源的熱量傳至蒸發(fā)段，由于熱傳導(dǎo)使工質(zhì)的溫度上升，進(jìn)而導(dǎo)致液相介質(zhì)吸熱蒸發(fā)。

圖2 熱管原理圖

熱管技術(shù)最初被用在航天領(lǐng)域，專門解決面向太陽和背向太陽的溫差問題，屬尖端國防技術(shù)。民用化后，在化工、熱工及電力電子等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。用于筆記本電腦散熱的熱管屬于小型熱管，能明顯改善電腦散熱能力，提高電腦性能。國內(nèi)對老式油浸式變壓器進(jìn)行了改造，采用熱管技術(shù)強化冷卻散熱，取得了良好的效果。

熱管技術(shù)擁有良好的應(yīng)用前景，利用熱管技術(shù)將大電流開關(guān)柜內(nèi)的熱量傳導(dǎo)出來，不僅大大提高了大電流開關(guān)柜的散熱能力，而且不會影響其防護(hù)等級。

梅毒螺旋體明膠顆粒凝集陽性檢出率為94.0%，梅毒酶聯(lián)免疫吸附法檢測陽性率為88.0%，梅毒甲胺紅不加熱血清反應(yīng)檢測陽性率為94.0%，見表1。

2 散熱驅(qū)潮系統(tǒng)設(shè)計

2.1 散熱驅(qū)潮系統(tǒng)熱管散熱器選型

開關(guān)柜內(nèi)發(fā)熱包括電流回路發(fā)熱、渦流和磁滯引起的發(fā)熱等，其中主要以電流回路發(fā)熱為主。電流流經(jīng)導(dǎo)線、CT刀閘等電力設(shè)備，發(fā)熱量可以通過焦耳定律估算。

當(dāng)開關(guān)柜通過2 000 A的電流時，其發(fā)熱量約為1 800 W。當(dāng)開關(guān)柜通過4 000 A的電流時，其發(fā)熱量約為3 600 W。

依據(jù)表1熱管傳熱功率的經(jīng)驗關(guān)系及熱管生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品功率介紹，采用4根長度為1 m、外徑為25 mm且熱管傳輸功率達(dá)到4 kW以上的熱管，滿足額定電流下高壓開關(guān)柜的散熱需求。

表1 熱管管徑、管長、與單管傳熱功率經(jīng)驗關(guān)系

2.2 散熱驅(qū)潮系統(tǒng)的設(shè)計

高壓柜后柜門中部偏下部位為開關(guān)柜刀閘（小車）觸頭部位，溫度較高。因此，在此處打開散熱孔進(jìn)行通風(fēng)，如圖3所示。高壓開關(guān)柜內(nèi)的空氣循環(huán)通道與柜外空氣循環(huán)通道相互獨立，滿足高壓開關(guān)柜的防護(hù)等級要求。在散熱驅(qū)潮系統(tǒng)風(fēng)道中裝配干燥劑，可吸收高壓開關(guān)柜內(nèi)空氣中的水分，達(dá)到了驅(qū)潮效果。運行人員可定期檢查維護(hù)干燥劑，必要時及時更換。

圖3 散熱驅(qū)潮系統(tǒng)示意圖

考慮有些高壓柜下后柜門是地線裝接處，可將散熱系統(tǒng)懸于開關(guān)柜上。而如果是小車式高壓柜，可直接讓開關(guān)柜落地，借助柜底本身的風(fēng)機代替#2風(fēng)機。

2.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

如圖3所示，通過PLC控制技術(shù)，以高壓開關(guān)柜內(nèi)和外散熱窗安裝的溫度傳感器為輸入量，通過PLC控制系統(tǒng)控制#1風(fēng)扇、#2啟停。

風(fēng)機開啟的基本思路為：

（2）當(dāng)僅需要驅(qū)潮時，#2風(fēng)機啟動，#1風(fēng)機不啟動。

據(jù)此，該控制系統(tǒng)的控制邏輯如圖4所示。

按照圖4的系統(tǒng)控制邏輯，可整定溫濕度閥值，實現(xiàn)對各類機柜的散熱驅(qū)潮。對于大電流開關(guān)柜，推薦整定值如表2所示。

圖4 PLC控制系統(tǒng)邏輯圖

表2 推薦整定參數(shù)表

通過匯編語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)圖4的控制邏輯圖。

2.4 后臺監(jiān)視或系統(tǒng)設(shè)計

通過通信網(wǎng)絡(luò)，將溫濕度監(jiān)控信號和風(fēng)扇啟停信號發(fā)送至監(jiān)控后臺，使巡視人員了解和掌握開關(guān)柜溫濕度情況，如圖5所示。PLC通信模塊帶有TCP/IP以太網(wǎng)通信處理器模塊和RS845串行端口，可以同時和多臺PLC進(jìn)行通信，也可以與PC機進(jìn)行通信。PLC輸出信號經(jīng)485串口輸出值NP801轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)模式，經(jīng)交換機輸送至監(jiān)控后臺電腦。信號經(jīng)總線上傳后送至PC機，實現(xiàn)后臺電腦對全站大電流開關(guān)柜溫濕度信號的監(jiān)控。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.5 散熱驅(qū)潮系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

2.5.1 散熱效果分析

（1）風(fēng)道改善：進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口面積顯著提高，為普通風(fēng)冷型開關(guān)柜的3倍以上。考慮熱管和翅片的散熱效率，該系統(tǒng)的散熱速度是普通風(fēng)冷式開關(guān)柜的2.82倍以上。

（2）熱管導(dǎo)熱能力強：傳輸功率超過額定電流運行條件下開關(guān)柜的發(fā)熱功率，

（3）無源散熱驅(qū)潮能力增強：風(fēng)機不啟動時，因熱能原理，柜內(nèi)外空氣仍能循環(huán)流動，具有一定的散熱能力。

2.5.2 驅(qū)潮效果分析

（1）驅(qū)潮效果好：理論上，只要干燥劑更換及時，該系統(tǒng)干燥能力無限大。

（2）干燥劑更換方便：安裝在散熱驅(qū)潮系統(tǒng)箱中，方便更換，利于運行維護(hù)。

2.5.3 經(jīng)濟性分析

通過與相關(guān)廠家溝通，對上述散熱驅(qū)潮系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟性分析，初步花費大致如表3所示。從表3可知，該系統(tǒng)投資小，效果好，性價比高，具有較高的使用價值。

表3 散熱驅(qū)潮系統(tǒng)經(jīng)濟性分析表

3 結(jié) 論

熱管技術(shù)是新型散熱技術(shù)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。文章利用熱管技術(shù)提出了一種適用于大電流開關(guān)柜的散熱、驅(qū)潮系統(tǒng)。該系統(tǒng)不破壞開關(guān)柜的防護(hù)等級，防塵、防小動物效果好，散熱效果好。大電流開關(guān)柜以額定電流運行，該散熱系統(tǒng)勝任散熱工作，具有較好的驅(qū)潮能力。此外，她能夠直接使用干燥劑吸附柜內(nèi)水蒸氣，直觀并有足夠的說服力。可見，該系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中具有較大潛力，對大電流開關(guān)柜的散熱和驅(qū)潮十分有益。