半導(dǎo)體制冷技術(shù)在變電站自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用研究

姚欣烈

摘要：網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)屬于變電站中的自動(dòng)化設(shè)備，每時(shí)每刻都需要處理大量實(shí)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。當(dāng)室內(nèi)溫度無法得到有效控制時(shí)，使得屏柜內(nèi)溫度急劇上升，威脅自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行安全。本文通過職工創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)踐，研究半導(dǎo)體制冷技術(shù)解決變電站自動(dòng)化設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)熱帶來的影響，降低屏柜內(nèi)溫度，從而解決自動(dòng)化設(shè)備因運(yùn)行溫度過高導(dǎo)致死機(jī)、甚至損壞的問題。

1、半導(dǎo)體制冷技術(shù)

1.1、工作原理

半導(dǎo)體制冷器件的工作原理是基于珀耳帖原理，即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時(shí)，在接頭處除焦耳熱以外還會(huì)釋放出某種其它的熱量，而另一個(gè)接頭處則吸收熱量，且珀耳帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時(shí)，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)。

1.2、半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm3小的制冷器；重量輕，微型制冷器往往能夠小到只有幾克或幾十克。無機(jī)械傳動(dòng)部分，工作中無噪音，無液、氣工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機(jī)械過載條件下，均能夠正常地工作。而且作用速度快，使用壽命長(zhǎng)，且易于控制。

半導(dǎo)體制冷片正常工作時(shí)，冷端制冷的同時(shí)需要在熱端進(jìn)行有效的散熱，需要散去的熱量包含珀耳帖效應(yīng)釋放的熱量和制冷片本身的焦耳熱。這個(gè)熱量遠(yuǎn)比冷端的吸熱量大。所以導(dǎo)致半導(dǎo)體制冷片的效率較低。而且，對(duì)半導(dǎo)體制冷片熱端的散熱一般要采用主動(dòng)散熱。

因此，半導(dǎo)體制冷技術(shù)較適合應(yīng)用于封閉的小型空間的冷卻。

2、方案確立

冷卻裝置必須可以安裝在自動(dòng)化設(shè)備屏柜內(nèi)部。因此，設(shè)計(jì)、組裝出來的整個(gè)裝置尺寸應(yīng)合適，如果太小，則冷卻效果不明顯；太大，則無法安裝在屏柜內(nèi)部。經(jīng)過在網(wǎng)上查閱有關(guān)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的相關(guān)資料后，制定了設(shè)計(jì)、組裝方案：將多片半導(dǎo)體制冷片拼在一起，使其制冷面積增大，同時(shí)散熱端使用尺寸較大的散熱器和散熱風(fēng)扇，以確保其散熱性能良好。冷卻端使用比散熱端尺寸小點(diǎn)的散熱器和風(fēng)扇，使其能保持適合溫度，避免出現(xiàn)溫度過低或者冷卻效率低。

3、現(xiàn)場(chǎng)安裝試驗(yàn)

根據(jù)日常變電站自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，及多個(gè)變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備屏柜內(nèi)的熱量主要集中在柜內(nèi)頂部，而柜內(nèi)底部的溫度基本與室內(nèi)溫度相當(dāng)。甚至在某些變電站，由于屏柜底部的電纜溝空間較大且密封嚴(yán)實(shí)，能起到很好的保溫效果，使得在屏柜內(nèi)底部測(cè)得的溫度比變電站二次設(shè)備間的溫度要更低。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘查所得的情況，采用1個(gè)直流電源模塊同時(shí)帶2臺(tái)半導(dǎo)體冷卻裝置的運(yùn)行方式，將冷卻裝置安裝在交換機(jī)柜內(nèi)頂部，將電源模塊放置在屏柜底部。使用適當(dāng)數(shù)量和長(zhǎng)度的角鋼在柜內(nèi)頂部搭建一個(gè)支架，將冷卻裝置固定在支架上。利用冷、熱空氣相互對(duì)流的原理，使冷卻端產(chǎn)生的冷空氣往柜內(nèi)底部流動(dòng)，熱空氣向上升并通過頂部散熱孔排出屏柜，從而使屏柜內(nèi)溫度整體下降，達(dá)到為柜內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備降溫的目的。

4、運(yùn)行情況分析

為了盡可能的獲得自動(dòng)化設(shè)備屏柜內(nèi)部的各個(gè)部位的溫、濕度，分別在屏柜內(nèi)的上部、中部和下部分別放置了溫、濕度計(jì)。另外在屏柜外也放了一個(gè)，以獲取屏柜外部的環(huán)境溫度。并在冷卻裝置安裝完成后未投入運(yùn)行前，先進(jìn)性了溫度抄錄。

由于一天當(dāng)中的各個(gè)時(shí)段溫度不同，會(huì)影響屏柜外部的環(huán)境溫度，進(jìn)而影響到屏柜的內(nèi)部溫度，尤其屏柜內(nèi)上部的溫度。因此，在記錄溫度時(shí)盡可能的選擇在每一天的同個(gè)時(shí)段進(jìn)行，以盡可能的減少外部溫度變化帶來的影響。

通過圖1可看出，在冷卻裝置投入使用后，屏柜內(nèi)中、上部的溫度有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)，尤其是頂部的溫度，前后溫差高達(dá)15X2。冷卻效果較為明顯。而底部溫度仍與冷卻裝置運(yùn)行前情況基本相同，與屏柜外部環(huán)境溫度大致相持。

證明冷卻裝置運(yùn)行所取得的效果與項(xiàng)目預(yù)期效果相同。

5、結(jié)語

通過本次對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)在變電站自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)其可解決用于變電站自動(dòng)化設(shè)備屏柜內(nèi)部的設(shè)備因運(yùn)行溫度過高導(dǎo)致的死機(jī)、故障、甚至整個(gè)裝置失效等重大、緊急缺陷。嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全和供電可靠性。

另外，二次設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境運(yùn)行也容易導(dǎo)致其生命周期降低，增加相應(yīng)的運(yùn)維成本。該半導(dǎo)體冷卻裝置主要有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）安裝方便，可靈活運(yùn)用；

（2）幾乎可免后期維護(hù)，由于該裝置安裝在屏柜內(nèi)，與外界環(huán)境相對(duì)隔絕，散熱器和風(fēng)扇不會(huì)因?yàn)榛覊m積攢導(dǎo)致制冷效率下降；

（3）運(yùn)行成本低，單臺(tái)冷卻設(shè)備功率為240W，而且可針對(duì)溫度變化使用溫控器件控制其運(yùn)行或停運(yùn)，運(yùn)行方式靈活。