戶外智能控制柜環(huán)境適應(yīng)性研究

周亞龍，婁 悅，朱東升，袁滌非，黃 河

(1. 中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102；2.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 211106；3.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024)

戶外智能控制柜環(huán)境適應(yīng)性研究

周亞龍，婁 悅1，朱東升1，袁滌非2，黃 河3

(1. 中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102；2.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 211106；3.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024)

隨著智能變電站的大規(guī)模推廣，戶外智能控制柜得到廣泛應(yīng)用。為了保證柜內(nèi)智能設(shè)備在戶外高溫高濕、多風(fēng)沙、電磁干擾等惡劣環(huán)境下的正常運行，智能控制柜必須解決溫濕度控制、柜體防護和電磁屏蔽等環(huán)境適應(yīng)性問題。本文通過多種智能控制柜溫濕度控制方案比選，根據(jù)不同環(huán)境特點給出方案選型結(jié)論；針對柜體防護設(shè)計，闡述柜體結(jié)構(gòu)、材料、密封和風(fēng)道設(shè)計方案和選型依據(jù)；并給出戶外智能控制柜電磁屏蔽設(shè)計思路和具體措施，旨在為今后戶外智能控制柜環(huán)境適應(yīng)性方案設(shè)計提供借鑒。關(guān)鍵詞：智能變電站;戶外智能控制柜;環(huán)境適應(yīng)性;方案選型。

1 概述

在智能變電站中，智能控制柜為柜內(nèi)智能組件設(shè)備提供雨水、塵土、酸霧、電磁騷擾等的防護，并提供電源、電氣接口及溫、濕度控制、照明等設(shè)施，保證智能組件的安全運行。當(dāng)采用戶外配電裝置時，戶外的溫、濕度和電磁環(huán)境遠(yuǎn)比室內(nèi)惡劣，智能控制柜作為智能組件設(shè)備的主要宿主設(shè)備，應(yīng)盡可能由柜體本身承擔(dān)和消除外界環(huán)境對智能設(shè)備帶來的不利影響，為智能設(shè)備提供全方位的防護。智能控制柜對惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力對柜內(nèi)智能設(shè)備的可靠運行有重要作用。

中國的國土幅員遼闊，氣候特征多樣，不同地域的環(huán)境條件、空氣中的污染物，像酸雨、鹽霧、工業(yè)粉塵，以及電磁干擾程度也有較大的差異，因此需要結(jié)合地區(qū)環(huán)境，因地制宜地開展戶外智能控制柜的環(huán)境適應(yīng)性研究。

2 溫濕度控制方案

智能變電站正常運行離不開大量高精度控制模塊及各類電子元器件的穩(wěn)定工作。電子元器件失效的原因主要包括：(1)襯板連接處的熱疲勞；(2)機械振動；(3)潮濕環(huán)境的化學(xué)腐蝕，見圖1。智能設(shè)備因固定安裝在智能控制柜中，受機械振動影響較小，但受戶外高溫、光照強度大、光照時間長等環(huán)境影響，在密封性較強的控制柜內(nèi)，容易出現(xiàn)溫度過高的情況，影響設(shè)備的控制精度和穩(wěn)定性，可能造成裝置誤動、拒動，導(dǎo)致事故擴大。另外，過低的環(huán)境溫度和潮濕環(huán)境也會對設(shè)備器件造成一定影響。因此，設(shè)計具有智能調(diào)控工作環(huán)境溫濕度能力的戶外智能控制柜，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

目前，戶外智能控制柜溫濕度控制技術(shù)主要有區(qū)域集中式溫濕度調(diào)控系統(tǒng)和分散伴隨式溫濕度調(diào)節(jié)技術(shù)兩大類。

2.1 區(qū)域集中式溫濕度調(diào)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用集中控制系統(tǒng)，雙重化主機布置在場地上，通過輸送管道配送低溫新風(fēng)至各智能控制柜，主管道一般布置在電纜溝內(nèi)，通過分支分管與各智能控制柜連接，分支風(fēng)管設(shè)有防火閥，智能控制柜外殼頂部設(shè)置通風(fēng)止回閥，柜內(nèi)高溫時系統(tǒng)運行以降低智能控制柜內(nèi)環(huán)境溫度，柜內(nèi)低溫或濕度增加時，防火閥和止回閥關(guān)閉，智能控制柜內(nèi)驅(qū)潮加熱裝置運行。該系統(tǒng)主要優(yōu)點是系統(tǒng)可靠性好，溫度集中化控制，平均能耗較小，日常運行維護也比較方便；但該系統(tǒng)防護等級較低，灰塵、風(fēng)沙、濕氣及腐蝕性氣體容易進入機柜內(nèi)部。區(qū)域集中式溫度調(diào)控系統(tǒng)見圖3。

圖1 電子元器件失效原因

圖2 電力設(shè)備失效與工作溫度關(guān)系

圖3 區(qū)域集中式溫濕度調(diào)控系統(tǒng)圖

2.2 分散伴隨式溫濕度調(diào)節(jié)技術(shù)

目前戶外智能控制柜分散伴隨式溫濕度調(diào)節(jié)技術(shù)主要有三種方式：(1)空調(diào)技術(shù)；(2)熱交換器技術(shù)；(3)強迫風(fēng)冷技術(shù)。

(1)空調(diào)技術(shù)

空調(diào)的散熱是利用制冷劑產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)進行降溫，通過化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，控制柜內(nèi)的溫度可以始終恒定在一定范圍內(nèi)。冷凝器與空氣的熱交換在柜外進行，而蒸發(fā)器與空氣的熱交換則在柜內(nèi)循環(huán)進行，因此機柜柜體防護等級高，能阻止灰塵、濕氣及腐蝕性氣體進入機柜內(nèi)部。此外，空調(diào)具備加熱和除濕功能，柜內(nèi)不會出現(xiàn)凝露。但空調(diào)有一定的損壞率，如空調(diào)發(fā)生故障，不僅現(xiàn)場維護困難，且由于沒有冗余設(shè)計，會使柜內(nèi)溫控系統(tǒng)失效，產(chǎn)生較大的安全隱患。

(2)熱交換器技術(shù)

熱交換器的工作是利用熱傳導(dǎo)原理，通過導(dǎo)熱率很高介質(zhì)將一邊物體的熱量傳遞給另一邊的物體。通過熱交換器兩側(cè)的風(fēng)扇制造的空氣流動和導(dǎo)熱介質(zhì)，進行兩側(cè)的熱量交換，其熱量交換是雙向交換，即熱量由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域轉(zhuǎn)移，柜內(nèi)最高溫度可控制為柜外溫度+10℃左右。熱交換器的工作換熱介質(zhì)的兩側(cè)空氣互不接觸，可將柜體設(shè)計為全密封的結(jié)構(gòu)，使機柜的防護等級達到較高的水平，具有很強的防風(fēng)沙能力，但熱交換器采用密閉式的結(jié)構(gòu)，不利于防止凝露的發(fā)生。

(3)強迫風(fēng)冷技術(shù)

強迫風(fēng)冷散熱技術(shù)是屬于直接散熱技術(shù)，該技術(shù)是將柜外冷空氣直接輸送到柜內(nèi)，再將發(fā)熱設(shè)備冷卻后形成的熱空氣直接排除柜外，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，安裝維護方便，能耗小等特點。由于多個風(fēng)機工作在并行模式下，可靠性大大增強。但該技術(shù)防護等級低，灰塵風(fēng)沙、濕氣及腐蝕性氣體進入機柜內(nèi)部，容易積聚粉塵等污垢，并污染柜內(nèi)的元器件，進而加劇元器件熱導(dǎo)效應(yīng)。

2.3 方案對比及選型分析

分散伴隨式智能控制柜溫濕度控制技術(shù)方案與區(qū)域集中式智能控制柜溫濕度調(diào)控系統(tǒng)技術(shù)方案在設(shè)計性能、可靠性、成本、抗風(fēng)沙能力、施工復(fù)雜度等方面存在較大的差異，兩類系統(tǒng)綜合性能對比見表1。

表1 戶外智能控制柜溫濕度控制技術(shù)綜合性能對比

在正常高溫地區(qū)，無沙塵、鹽霧等極端環(huán)境、氣候條件時，推薦采用強迫風(fēng)冷技術(shù)或集中調(diào)控技術(shù)方案，具有成本低、能耗低、散熱除濕性能良好、維護簡便的特點，符合節(jié)能環(huán)保、低碳節(jié)約的設(shè)計理念；在氣候不炎熱，存在沙塵或鹽霧等極端環(huán)境、氣候條件時，為了保證柜內(nèi)環(huán)境、空氣獨立于外部惡劣的環(huán)境，建議采用熱交換器柜；在氣候極端炎熱，正常通風(fēng)散熱無法滿足柜內(nèi)設(shè)備運行環(huán)境要求時，可采用空調(diào)技術(shù)。

3 柜體防護設(shè)計

戶外智能控制柜柜體的防護設(shè)計首先要滿足強度設(shè)計要求和電氣設(shè)備安裝要求，同時還要滿足保溫隔熱、通風(fēng)散熱、防水、防潮、防霉、防腐蝕、防電磁干擾及提供內(nèi)外電氣連接通道的要求。此外，針對不同的溫濕度控制方案，柜體的防護需要進行針對性設(shè)計，對于空調(diào)和熱交換器技術(shù)方案，由于柜體內(nèi)外熱循環(huán)隔離，柜體防護需要考慮全密封設(shè)計；對于強制風(fēng)冷技術(shù)和集中調(diào)控技術(shù)方案，防護設(shè)計需要特別針對進出風(fēng)道的防水、防塵性能和免維護設(shè)計進行研究。

3.1 柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)柜體機構(gòu)形式

智能控制柜(見圖4)基本結(jié)構(gòu)由內(nèi)柜、防水頂蓋、底座、雙層側(cè)板和雙層前后柜門組成，柜體采用拼裝與焊接混合式結(jié)構(gòu)。柜門由多點鉸鏈與機柜進行連接，柜門鎖與柜體采用多點鎖定，關(guān)上門從外面看不見螺釘。側(cè)面板覆蓋機柜及底座，消除了用強制性措施進入機柜的弱點。前后門與門框之間采用了密封材料保證了門具有良好的密封性能。

圖4 柜體結(jié)構(gòu)示意圖

(2)柜體材料選型

柜體材料可采用耐候鋼、鋁板、不銹鋼。以下對耐候鋼、鋁板、不銹鋼等材料從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面進行綜合比較，見表2。

表2 側(cè)板材料性價對比

相對于鋁板，不銹鋼和耐候鋼具備強度大、價格低、焊接性能好、加工方便、耐腐蝕性能較好、表面處理工藝成熟等特點，適宜作為柜體材料。結(jié)合現(xiàn)場情況，對條件地區(qū)惡劣，易腐蝕地區(qū)，建議采用不銹鋼作為柜體材料；對地區(qū)條件相對溫和、并考慮經(jīng)濟性的情況下，可采用耐候鋼作為柜體材料。

3.2 柜體密封設(shè)計

(1)雙門結(jié)構(gòu)設(shè)計

戶外智能控制柜單個柜門在長期使用過程中，密封圈處不斷的堆積粉塵，受到腐蝕的同時，在柜門開合過程中，堆積的粉塵在沒有密封的情況下進入柜體。本文推薦在風(fēng)沙較大的區(qū)域，智能控制柜采用雙門結(jié)構(gòu)為柜內(nèi)智能設(shè)備提供雙重保障，柜體簡單維護僅需打開外門進行，柜體密封性能和防風(fēng)沙能力得到有效提升。

(2)PU發(fā)泡密封

柜門及柜體各側(cè)板的縫隙也是風(fēng)沙進入的主要渠道，應(yīng)采取先進的密封技術(shù)，以提高柜體的防護等級。傳統(tǒng)型密封條一般用橡膠材質(zhì)制造，這種材料易老化、彈性差，受環(huán)境溫度的制約特別大。本文推薦采用新一代包覆式PU發(fā)泡密封條和點膠技術(shù)，機柜的防護等級可達IP66。

(3)進出線纜通道密封設(shè)計

在機柜的下部，一般設(shè)有數(shù)個用于電纜、光纜的進出線的通道，該通道也是高防護水平機柜的重點關(guān)注對象。本文采用寶塔形進出線橡膠護圈，利用該護圈寶塔的錐形，用裁紙刀在不同的寬度切一圈，可得到不同直徑圓形切口以匹配不同直徑的線纜，并利用橡膠的彈性，緊緊包裹住線纜起到密封的作用，可有效防止嚙齒動物、白蟻等有害動物的侵入。

3.3 風(fēng)道設(shè)計

(1)風(fēng)道防水設(shè)計

根據(jù)空氣與水受重力影響的不同特性，推薦采用多重插指迷宮型防水結(jié)構(gòu)，使得外部的水經(jīng)過多次折射后無法流入柜頂?shù)耐L(fēng)口，而是自機柜四周的泄水槽排除柜外。同時由于空氣不受該結(jié)構(gòu)的影響，仍可自由的排除柜外，從而達到防水的效果。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)沙大，冰雪顆粒細(xì)小等極端氣候條件時也可為柜內(nèi)裝置提供可靠的防護，迷宮式多重防水示意圖見圖5。

圖5 迷宮式多重防水示意圖

(2)風(fēng)道防塵設(shè)計

在上述良好防水的基礎(chǔ)上，在遠(yuǎn)離水汽影響的風(fēng)道內(nèi)側(cè)，再加上一層防塵濾棉，該濾棉的作用就是將固體類的顆粒、化學(xué)物質(zhì)和生物等阻擋在機柜外部。過濾棉采用進口聚酯纖維過濾材料制成，用內(nèi)外溶點不同的纖維在空間交錯排列，無定向三維結(jié)構(gòu)，纖維結(jié)合緊密，抗短裂，不易脫落。

(3)風(fēng)道免維護設(shè)計

在風(fēng)道中設(shè)置的空氣濾網(wǎng)在工作一段時間后會積聚灰塵，如不及時清理，直接影響風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱效果。本文推薦一種智能化空氣濾網(wǎng)自動除塵技術(shù)，通過電源驅(qū)動的振動源將振動作用在濾網(wǎng)上，同時通過電機反轉(zhuǎn)將振落的灰塵清除。該系統(tǒng)可以通過配置灰塵傳感器或空氣流量探頭等傳感設(shè)備，實現(xiàn)空氣濾網(wǎng)自動除塵的閉環(huán)控制，實現(xiàn)了濾網(wǎng)的免維護和免更換，除塵效果好。

4 電磁兼容設(shè)計

為保證電子設(shè)備在控制柜內(nèi)正常工作，需要進行電磁防護設(shè)計。根據(jù)電磁干擾形成的三要素，可以通過屏蔽、濾波、接地、隔離等手段抑制電磁干擾源與敏感對象間的電磁能量耦合，有效削弱了電磁干擾對敏感對象的影響。

4.1 柜體等電位設(shè)計

由于戶外智能控制柜露天安裝，柜體是柜內(nèi)設(shè)備的第一道屏蔽層。屏蔽體的電連續(xù)性是影響結(jié)構(gòu)件屏蔽效能最主要的因素，即保持整個柜體外殼的電連續(xù)性是設(shè)備艙電磁屏蔽的關(guān)鍵因素。機柜結(jié)構(gòu)所有外露的可導(dǎo)電部分實現(xiàn)導(dǎo)電性互連并可靠接地，各接點的接觸電阻不應(yīng)大于0.1 Ω，屏蔽機柜的縫隙和電纜進出口宜選用合適的電磁密封材料來減少電磁泄漏。

4.2 柜體孔洞屏蔽

結(jié)構(gòu)方面影響孔洞屏蔽效能的因素主要有：孔的最大尺寸、孔的深度、孔間距以及孔的數(shù)量，其中影響最大的是孔的最大尺寸和孔的深度。屏蔽效能只與孔的最大尺寸有關(guān)，而與孔的面積并沒有直接關(guān)系，因此在柜體通風(fēng)口的屏蔽罩上開圓孔，在最大限度增大通風(fēng)面積的前提下盡量減少孔的最大尺寸。

通風(fēng)孔的屏蔽主要需要均衡通風(fēng)與散熱之間的矛盾，通風(fēng)板的常用類型有穿孔金屬板和波導(dǎo)通風(fēng)板。穿孔金屬板的屏蔽效能不超過30～40 dB，鋁制波導(dǎo)通風(fēng)板的屏蔽效能一般可以達到60～70 dB，而鋼制波導(dǎo)通風(fēng)板的屏蔽效能則可以達到90～100 dB，可根據(jù)實際工程需要選擇不同類型的通風(fēng)板。

4.3 纜線的屏蔽

線纜的處理對智能控制柜的屏蔽有至關(guān)重要的關(guān)系，往往比柜體本身的屏蔽還要重要，因此智能控制柜的電纜應(yīng)當(dāng)采用屏蔽電纜，進出屏柜時采用集中式連接器轉(zhuǎn)接。這種方式對連接器的屏蔽效能要求較高，如選用屏蔽效能高的連接器，則能起到很好的屏蔽效果。建議選用全金屬外殼的圓形光、電連接器，可起到很好的屏蔽效果。

5 結(jié)論

本文主要從戶外智能控制柜溫濕度控制技術(shù)、柜體防護設(shè)計和電磁屏蔽設(shè)計三個方面進行研究，旨在因地制宜地給出戶外智能控制柜環(huán)境適應(yīng)性解決方案，提升智能控制柜在防護等級、溫濕度控制、防電磁干擾、節(jié)能環(huán)保等環(huán)境適應(yīng)性能。文章分析了區(qū)域集中式溫濕度調(diào)控系統(tǒng)和分散伴隨式溫濕度調(diào)節(jié)技術(shù)兩大類溫濕度控制方案特點，為智能控制柜溫濕度控制方案選型提供依據(jù)；從柜體結(jié)構(gòu)、柜體密封和風(fēng)道設(shè)計三方面闡述柜體防護方案和選型方法并給出戶外智能控制柜電磁屏蔽設(shè)計思路和具體措施，為今后智能控制柜環(huán)境適應(yīng)性方案設(shè)計提供借鑒。

[1] Q/GDW_441－2010，智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范[S]．

[2] Q/GDW 430－2010，智能變電站智能控制柜技術(shù)規(guī)范[S]．

[3] 潘洋，梁琳，常文光．電力電子器件封裝模塊的散熱特性[J]．通信電源技術(shù)，2014，31(2)．

[4] 任萬榮，等．智能變電站智能控制柜溫控系統(tǒng)選型研究[J]．電工技術(shù)，2013，(8)．

[5] 任水華，陳恒松，李濤．變電站戶外智能控制柜綜合環(huán)境控制應(yīng)用[J]．科技視界，2014，(32)．

[6] 趙利軍．智能變電站戶外智能控制柜設(shè)計研究[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，(31)．

[7] 朱云霄，朱云燦，嚴(yán)華．智能變電站戶外智能控制柜熱設(shè)計[J]．電子機械工程，2013，(6)．

Research on the Environment Adaptability of Outdoor Intelligent Control Cabinet in Intelligent Substation

ZHOU Ya-long1, LOU Yue1, ZHU Dong-sheng1, YUAN Di-fei2, HUANG He3
1. China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co.,Ltd, NanJing 211102, China; 2. GuoDian NanJing Automation Co.,Ltd, NanJing 211102, China; 3. State Grid Jiangsu Electric Power Company, NanJing 210024, China)

With the large-scale promotion of intelligent substation, outdoor intelligent control cabinet is widely used, for outdoor high temperature and high humidity, wind, electromagnetic interference and other harsh environment,The intelligent control cabinet must provide the intelligent devices in the cabinet with a good operating environment, to settle environmental adaptability issues like temperature and humidity control, cabinet protecting and electromagnetic shielding . This paper introduces a variety of intelligent control cabinet temperature and humidity control scheme and provides scheme selection according to different environmental features ; As for cabinet protecting design, the paper gives a elaboration of cabinet structure, material, sealing and duct design scheme and the basis for selection and gives design ideas and concrete measures for electromagnetic shielding of outdoor intelligent control cabinet , to provide a reference for the scheme design of outdoor intelligent control cabinet environment adaptability in the future.

intelligent substation; outdoor intelligent control cabinet; environment adaptability; scheme selection.

TM63

：B

：1671-9913(2017)01-0050-05

2015-11-12

周亞龍(1989- ) ，男，河北邢臺人，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)二次設(shè)計和研究工作。