GRC復(fù)合材料預(yù)制式二次設(shè)備艙結(jié)構(gòu)及仿真分析

顧錦書，袁滌非，俞春林，包安群，蘇麟，車勇，單強

（1.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211100；2.江蘇省電力設(shè)計院，南京 211102；3.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830013）

GRC復(fù)合材料預(yù)制式二次設(shè)備艙結(jié)構(gòu)及仿真分析

顧錦書1，袁滌非1，俞春林1，包安群1，蘇麟2，車勇3，單強3

（1.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211100；2.江蘇省電力設(shè)計院，南京 211102；3.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830013）

介紹了一種全新的玻璃纖維增強混凝土（GRC）復(fù)合材料預(yù)制式二次設(shè)備艙，對其結(jié)構(gòu)形式和特點進行了分析，并根據(jù)仿真分析計算二次設(shè)備艙總發(fā)熱量，得出該材料設(shè)備艙可適用于各種極端惡劣的氣候地區(qū)的結(jié)論。

預(yù)制式二次設(shè)備艙；模塊化建設(shè)；艙體；玻璃纖維增強混凝土

0 引言

2013年，國家電網(wǎng)公司提出并開展了智能變電站模塊化建設(shè)［1］。預(yù)制式二次設(shè)備艙是戶外智能變電站模塊化建設(shè)的產(chǎn)物，艙內(nèi)由二次設(shè)備、暖通、照明、消防、安防、圖像監(jiān)控等設(shè)備構(gòu)成，由工廠完成生產(chǎn)、整體運輸及安裝，實現(xiàn)工廠加工、工廠調(diào)試。

玻璃纖維增強混凝土（GRC）復(fù)合材料已在建筑、化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但2013年前尚無用于電力系統(tǒng)二次保護及自動化設(shè)備領(lǐng)域的先例。本文結(jié)合國內(nèi)首個工程實例，研究GRC復(fù)合材料預(yù)制式二次設(shè)備艙的艙體結(jié)構(gòu)特點并進行仿真分析。

1 預(yù)制式二次設(shè)備艙艙體研究

1.1 GRC材料概述

GRC是20世紀(jì)70年代國外發(fā)明的一種復(fù)合材料，在水泥、砂或其他填料基質(zhì)中摻入各種形式的耐堿玻璃纖維制成，其綜合了玻璃纖維的高抗張強度和水泥基質(zhì)的高抗壓強度［2］。GRC材料在美國、日本等多個國家被廣泛應(yīng)用，在建筑領(lǐng)域中占有特殊地位，具有高抗彎強度、高耐沖擊性能、防火阻燃、抗腐蝕、防凍裂、防凝露、隔熱保溫、使用壽命長等特點。

1.2 預(yù)制式二次設(shè)備艙艙體結(jié)構(gòu)

預(yù)制式二次設(shè)備艙體底座由槽鋼整體焊接成型，艙體由艙壁、艙頂中的預(yù)埋件拼焊而成，如圖1所示。艙壁和艙頂由GRC復(fù)合材料與保溫材料澆注成型，艙壁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

艙內(nèi)屏柜按照國家電網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)范雙列或單

圖1 艙體截面

列布置。屏柜與安裝底座之間使用地腳螺栓固定，為保證屏柜在吊裝及運輸過程中的穩(wěn)定性，屏柜頂部與艙內(nèi)壁之間設(shè)計安裝固定連接器，使整列屏柜與艙形成受力的剛體。屏柜下方設(shè)計線纜槽盒，艙內(nèi)、外線纜通過雙端預(yù)制的預(yù)制光纜和預(yù)制電纜進行快速連接，實現(xiàn)即插即用。為保證艙內(nèi)的美觀，同時降低線纜的損壞率，艙內(nèi)輔助控制、插座等設(shè)備的線纜暗埋敷設(shè)于艙內(nèi)頂部夾層及艙壁內(nèi)的線管內(nèi)。艙體排水管設(shè)計暗埋于艙壁之中，在艙體四角下方設(shè)計落水口。在艙內(nèi)防靜電地板下層，按屏柜布置的方向敷設(shè)截面積100mm2的專用銅排，將該專用銅排首、末端連接，形成艙內(nèi)二次等電位接地網(wǎng)，屏柜內(nèi)部接地銅排與二次等電位接地網(wǎng)連接。艙內(nèi)二次等電位接地網(wǎng)采用4根以上截面積不小于50 mm2的銅帶（纜）與艙外主地網(wǎng)一點連接。艙內(nèi)還配備有攝像頭、消防及溫控系統(tǒng)等設(shè)備。

1.3 艙體工作環(huán)境

搭載二次保護及自動化設(shè)備的預(yù)制式二次設(shè)備艙主要應(yīng)用于變電站戶外環(huán)境當(dāng)中，其所處環(huán)境具有以下特征。

（1）風(fēng)沙及工業(yè)粉塵。風(fēng)沙、灰塵和工業(yè)粉塵都是機械活性粒子，這些物質(zhì)除了會使設(shè)備機械部分阻塞和磨蝕外，有些固體物質(zhì)還會與空氣、水分或其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生酸性或堿性腐蝕。

（2）雨水。預(yù)制艙艙體受雨水的侵蝕、浸泡，其表層防護材料會脫落，金屬材質(zhì)的艙體會銹蝕，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致艙體穿孔，雨水進入設(shè)備內(nèi)部，導(dǎo)致設(shè)備因短路而發(fā)生故障。

（3）凝露。在低溫環(huán)境下，設(shè)備內(nèi)部空氣中含有的水分會在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，而凝露產(chǎn)生的水珠會對內(nèi)部電氣設(shè)備產(chǎn)生致命影響，一滴水珠就足以導(dǎo)致設(shè)備故障。

（4）高溫及太陽輻照。夏季高溫季節(jié)，尤其在華南地區(qū)和西北個別地域，氣溫會高達40℃以上，再加上太陽輻射，艙體直接受照部分溫度會高達60℃。這部分熱量會傳導(dǎo)至艙體內(nèi)部，引起內(nèi)部高溫，導(dǎo)致部分集成電路器件可靠性降低，甚至失效，從而使設(shè)備發(fā)生故障。

（5）低溫。我國“三北”地區(qū)冬季溫度會降至-40℃，而二次設(shè)備最低工作溫度為-25℃，過低的溫度會使半導(dǎo)體器件和晶體振蕩器停止工作。

（6）人為破壞?，F(xiàn)在智能變電站經(jīng)常坐落在較偏遠地區(qū)，且無人值守變電站越來越多，預(yù)制式二次設(shè)備艙要求能經(jīng)受得住一定程度的人為破壞。

（7）腐蝕性大氣。在沿?；虼笮偷V山地區(qū)，大氣中含有高腐蝕性的鹽堿或酸性物質(zhì)，長期處于此類大氣環(huán)境中的艙體表面會積敷大量有害物質(zhì)，產(chǎn)生腐蝕，帶有腐蝕性的氣體若進入設(shè)備內(nèi)部會破壞芯片等電氣元器件，使其可靠性降低，甚至失效。

1.4 二次設(shè)備艙的特點

使用GRC復(fù)合材料為基體的預(yù)制式二次設(shè)備艙具有以下特點。

（1）GRC復(fù)合材料的艙體具有較強的耐腐蝕、耐化學(xué)及抗?jié)B透性能［3］，對酸、堿、鹽及大部分有機物有較強的抵抗能力，此艙體尤其適用于沿海、多雨、潮濕、重化工污染等環(huán)境惡劣地區(qū)。

（2）GRC復(fù)合材料具有較強的耐久性［4］、抗風(fēng)化性，經(jīng)過加速老化試驗推測，GRC的安全使用壽命至少為50年，此艙體完全滿足國家電網(wǎng)公司對預(yù)制艙設(shè)計年限不小于40年的要求。

（3）GRC復(fù)合材料的艙體具有極好的親水性、防潮性、阻燃性，艙體材料可吸收空氣中的水蒸氣，使水蒸氣不易在艙壁上附著，抑制了凝露的發(fā)生。

（4）GRC復(fù)合材料中的玻璃纖維可以有效解決水泥收縮產(chǎn)生的龜裂和熱脹冷縮產(chǎn)生的艙體變形、裂縫問題，此艙體可以很好地適應(yīng)于驟冷、驟熱地區(qū)。

（5）GRC復(fù)合材料具有較好的耐高、低溫性能及抗太陽輻射性能，結(jié)合艙壁夾層內(nèi)的隔熱保溫材料，大大增強了艙體的保溫隔熱性能，綜合仿真分析和實際應(yīng)用經(jīng)驗，100mm的艙壁厚度即可滿足艙內(nèi)設(shè)備使用的環(huán)境要求，節(jié)省了艙內(nèi)調(diào)試空間，艙壁結(jié)構(gòu)如圖2所示。同時，GRC復(fù)合材料還具有較好的耐候性，適用于不同氣候的地區(qū)。

圖2 艙壁結(jié)構(gòu)

（6）GRC復(fù)合材料具有較強的抗拉強度、抗彎強度、耐沖擊性，同等規(guī)格下，相對金屬艙體，此種材料的艙體自重更有優(yōu)勢，具有較好的穩(wěn)定性，可以抵抗12級風(fēng)力、8級地震。

（7）GRC復(fù)合材料的艙體表面平整、光滑，易于噴涂，可滿足用戶不同的表面噴涂要求。而且此種艙體表面維護方便，可用水直接清洗，表面出現(xiàn)破損或劃痕可直接進行修補，修補后無痕跡。

2 仿真分析

根據(jù)氣候數(shù)據(jù)及艙內(nèi)設(shè)備配置來預(yù)估整個設(shè)備艙的發(fā)熱量，并根據(jù)該發(fā)熱量選擇散熱主要設(shè)備，確認設(shè)備的制冷量，然后通過仿真手段驗證發(fā)熱量預(yù)估方法的準(zhǔn)確性，并確認所選擇的主要散熱設(shè)備能否滿足預(yù)先設(shè)定的控制目標(biāo)。本文選取艙內(nèi)滿配設(shè)備后功耗最高、散熱最為嚴(yán)酷的12 200mm×2 500 mm×3133mm艙形作研究分析。

2.1 預(yù)估高溫條件下二次設(shè)備艙整體發(fā)熱量

據(jù)資料記載，國內(nèi)最高氣溫會達44℃左右，以下計算仿真均以此為基礎(chǔ)。由于受太陽輻照影響，此極端高溫條件下的戶外設(shè)備在太陽直射外表面殼體時溫度會高達60℃。結(jié)合仿真分析和工程實際應(yīng)用經(jīng)驗，為留有一定的冗余量，算例假設(shè)太陽直射外艙體表面溫度為65℃。國家電網(wǎng)公司預(yù)制艙規(guī)范要求艙內(nèi)環(huán)境溫度為18～25℃，算例假設(shè)艙內(nèi)目

標(biāo)控制溫度為20℃。

2.1.1 傳導(dǎo)至艙內(nèi)的熱量Q＝Sh（TW-Tf）， （1）式中：Q為熱流量；S為受輻照面艙體表面面積；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；TW為艙體外表面溫度；Tf艙內(nèi)控制目標(biāo)溫度。

經(jīng)相關(guān)計算可得h＝0.61W／（m2·K），由式（1）可得：受輻照頂面?zhèn)髦僚搩?nèi)熱量QA＝837.2W，受輻照側(cè)面?zhèn)髦僚搩?nèi)熱量QB＝1038W，受輻照端面?zhèn)髦僚搩?nèi)熱量QC＝210W；非輻照側(cè)面?zhèn)髦僚搩?nèi)熱量QD＝446.5W，非輻照端面?zhèn)髦僚搩?nèi)熱量QE＝114.7W，地面?zhèn)髦僚搩?nèi)熱量QF＝0W。

從而可得出各艙壁側(cè)傳至艙內(nèi)的總熱量Q1＝QA+QB+QC+QD+QE+QF＝2646.4W。

2.1.2 艙內(nèi)主要設(shè)備散發(fā)出的熱量

該型艙艙內(nèi)按照滿配可布置2×16面機柜，每面柜內(nèi)設(shè)備3臺裝置，以每臺功耗40W計算，則艙內(nèi)主要設(shè)備散發(fā)出的熱量Q2＝40×［（2×16）×3］＝3840（W）。

2.1.3 預(yù)估艙內(nèi)其余輔控設(shè)施散發(fā)出的熱量

預(yù)估艙內(nèi)其余輔控設(shè)施散發(fā)出的熱量 Q3＝150W。

2.1.4 二次設(shè)備艙總發(fā)熱量

尺寸為12200mm×2500mm×3133mm的二次設(shè)備艙總發(fā)熱量Q＝Q1+Q2+Q3＝6636.4W。

綜合上述計算，考慮冗余設(shè)計，選擇空調(diào)制冷量為10 kW（單臺5 kW）。

2.2 仿真驗證

根據(jù)上文計算的數(shù)據(jù)，利用軟件進行仿真驗證。

（1）邊界條件。環(huán)境溫度為44℃，氣流狀態(tài)為紊流狀態(tài)（Turbulent），地點為新疆某地。

（2）仿真結(jié)果。GRC艙體溫度分布云圖如圖3所示，尺寸為12 200mm×2 500mm×3 133mm的GRC艙體氣流分布云圖如圖4所示。

圖3 GRC艙體溫度分布云圖

圖4 GRC艙體氣流分布云圖

2.3 論證分析

通過上述仿真結(jié)果可知，當(dāng)尺寸為12200mm× 2500mm×3133mm的GRC復(fù)合材料二次設(shè)備艙艙內(nèi)設(shè)備滿配，在極端高溫環(huán)境下，選用2臺制冷量分別為5 kW的空調(diào)，艙內(nèi)監(jiān)控點（位于中間通道處）溫度為18.3172℃，滿足國家電網(wǎng)公司規(guī)范要求。

通過上述研究，可得出適應(yīng)各個地區(qū)的空調(diào)選型方案，包括空調(diào)功率、制冷量，并通過合理的風(fēng)道設(shè)計，將空調(diào)布置于艙體適當(dāng)?shù)奈恢?，達到理想的散熱效果。

3 結(jié)束語

本文論述了一種全新的用于戶外智能變電站模塊化建設(shè)的GRC復(fù)合材料預(yù)制式二次設(shè)備艙艙體形式，結(jié)合仿真分析可知，該艙型可適應(yīng)各種極端惡劣氣候，尤其是在酷暑高寒及重度污染地區(qū)，性能更顯優(yōu)越，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］林國慶，翁懷龍，候璽莎.智能化：變電站建設(shè)新趨勢［N］.國家電網(wǎng)報，2013-08-01（8）.

［2］秦巖，彭家順，魏有感.玻璃纖維增強水泥（GRC）特性與展望［J］.國外建材科技，2000，21（3）：5-6，10.

［3］白云鶴.淺議纖維混凝土的特性及應(yīng)用前景［J］.中州建設(shè)，2012（5）：75-76.

［4］楊建明，錢春香，荀勇，等.玻璃纖維增強磷酸鎂水泥復(fù)合材料的耐久性［J］.建筑材料學(xué)報，2009，12（5）：590-594.

（本文責(zé)編：弋洋）

TU 528.572

：B

：1674-1951（2015）04-0025-03

顧錦書（1988—），男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、研究、開發(fā)方面的工作（E-mail：jinshu-gu＠sac-china.com）。

袁滌非（1976—），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、研究、開發(fā)方面的工作。

俞春林（1978—），男，江蘇南通人，工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、研究、開發(fā)工作。

包安群（1963—），男，遼寧大連人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、研究、開發(fā)方面的工作。

蘇麟（1980—），男，四川瀘州人，高級工程師，從事繼電保護、自動化、電氣二次設(shè)計研究方面的工作。

車勇（1965—），男，江蘇徐州人，高級工程師，從事電力工程建設(shè)管理與研究方面的工作。

單強（1971—），男，北京人，高級工程師，注冊電氣工程師，從事電網(wǎng)工程技術(shù)研究與管理方面的工作。

2014-07-29；

2015-04-15