戶外電氣設(shè)備組件柜溫濕度控制技術(shù)研究

汪 洋，王成智,杜鎮(zhèn)安，洪梅子，劉 軍,陳建民

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)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(shè)備組件柜溫濕度控制技術(shù)研究

汪 洋1，王成智1,杜鎮(zhèn)安2，洪梅子2，劉 軍3,陳建民3

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)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(wǎng)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的微機(jī)型智能電氣設(shè)備就地安裝于戶外電氣設(shè)備組件柜中，內(nèi)部溫濕度控制的合理性直接影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。分析了戶外柜內(nèi)溫度和濕度的影響因素，提出了空調(diào)型電氣設(shè)備組件柜的濕度控制優(yōu)化方案，并針對(duì)空調(diào)型的電氣設(shè)備組件柜進(jìn)行了深入的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行論證，明確了方案的可行性。通過(guò)分析確定合理的空調(diào)選型方法，為后續(xù)空調(diào)的選型提供了參考依據(jù)。

智能電網(wǎng)；戶外電氣設(shè)備組件柜；溫度；濕度

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的微機(jī)型智能電氣設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱智能設(shè)備）由戶內(nèi)屏柜安裝形式轉(zhuǎn)變?yōu)閼敉怆姎庠O(shè)備組件柜安裝形式[1-2]，電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境受戶外環(huán)境影響的程度顯著增強(qiáng)，需要對(duì)柜內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行溫度控制、濕度控制、防凝露處理等綜合治理。本文針對(duì)溫度控制方面，分析了影響戶外電氣設(shè)備組件柜（以下簡(jiǎn)稱戶外柜）柜內(nèi)溫度和濕度的主要因素，研究了空調(diào)型溫濕度控制系統(tǒng)選型方法。

戶外柜在無(wú)遮擋的情況下，受到太陽(yáng)輻射以及設(shè)備本身耗散的熱量作用使得密封機(jī)柜內(nèi)部的溫度有可能超出設(shè)備允許的范圍，裝置長(zhǎng)時(shí)間在超高溫環(huán)境下運(yùn)行，會(huì)降低元器件的性能以及壽命[3-4]，進(jìn)而導(dǎo)致裝置故障，降低整個(gè)二次系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至造成重大安全事故。隨著戶外柜國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置戶外柜通用技術(shù)條件》（GB/T 34125-2017）的發(fā)布，采用空調(diào)型溫濕度控制系統(tǒng)的戶外柜越來(lái)越多。合理的選擇空調(diào)功率非常重要，功率太小制冷量無(wú)法保證，功率過(guò)大，在空調(diào)啟動(dòng)的瞬間對(duì)柜內(nèi)的濕度沖擊較大。因此，對(duì)戶外電氣設(shè)備組件柜空調(diào)散熱進(jìn)行研究是很有意義的。

1 影響戶外柜柜內(nèi)溫度的主要因素

1.1 太陽(yáng)輻射對(duì)戶外柜的影響及改善措施

對(duì)戶外柜而言，太陽(yáng)輻射是其熱設(shè)計(jì)必須考慮的重要一環(huán)[5-7]。當(dāng)太陽(yáng)射線照射到戶外柜表面時(shí)，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(yáng)輻射熱量越多。同一材料對(duì)于不同波長(zhǎng)的輻射光的吸收率也是不同的，黑色表面對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射幾乎全部吸收，而白色表面對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收率不同，對(duì)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(jìn)入戶外柜內(nèi)部的太陽(yáng)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(yáng)輻射吸收率Tab.1 Solar radiation absorptivity with different surfaces

戶外柜表面所吸收的太陽(yáng)輻射熱量可按下式計(jì)算,

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

戶外柜表面材料在太陽(yáng)照射下達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后，將相應(yīng)的參數(shù)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(nèi)部接收的太陽(yáng)輻射熱量 Q太陽(yáng)輻射，可通過(guò)式（5）計(jì)算得出。

式中：C為戶外柜材料的比熱容；m為柜體的質(zhì)量；t2為戶外柜表面太陽(yáng)照射后的外表面溫度穩(wěn)定值；t1為戶外柜表面沒有太陽(yáng)照射時(shí)的外表面溫度穩(wěn)定值；t3為戶外柜內(nèi)表面的溫度穩(wěn)定值；I0為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，可從當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料中查?。籄為不同表面在垂直太陽(yáng)直射方向上的投影面積；θi為太陽(yáng)光與地平面法向夾角；Q太陽(yáng)輻射為戶外柜內(nèi)部因太陽(yáng)輻射而吸收的熱量。

根據(jù)以上理論分析，可采取如下改善措施減少戶外柜內(nèi)部接收太陽(yáng)輻射熱量：（1）減少戶外柜接收的太陽(yáng)輻射，例如加裝遮陽(yáng)篷或遮陽(yáng)罩等；（2）選用低太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)輻射中可見光部分吸收比低的涂料，例如噴涂防太陽(yáng)輻射納米涂料。

1.2 柜外空氣向柜內(nèi)空氣傳遞的熱量

當(dāng)戶外柜采用風(fēng)機(jī)和熱交換器時(shí)，柜內(nèi)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(nèi)傳遞到柜外。而空調(diào)型戶外柜在高溫天氣下，一般柜內(nèi)的氣溫比柜外氣溫低，因此熱量是從柜外傳遞到柜內(nèi)。傳遞的熱量可按下式近似計(jì)算

式中：QR為戶外柜傳熱量；k為對(duì)流換熱系數(shù)。

1.3 戶外柜內(nèi)電氣設(shè)備發(fā)熱影響

戶外柜內(nèi)部安裝有合并單元、智能終端等IED設(shè)備，廠家大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：現(xiàn)階段一般一個(gè)合并單元的發(fā)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(nèi)總發(fā)熱量一般不超過(guò)100 W，220 kV間隔的戶外柜柜內(nèi)總發(fā)熱量一般不超過(guò)200 W。

1.4 柜內(nèi)設(shè)備布局影響

電氣設(shè)備組件柜柜內(nèi)設(shè)備的布局對(duì)柜內(nèi)局部溫度亦有影響。不合理的布局將導(dǎo)致柜內(nèi)空氣流通性較差，產(chǎn)生局部熱島現(xiàn)象。圖1給出了柜內(nèi)電氣設(shè)備間距為1U及2U時(shí)的溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果（1U=44.45 mm）。

圖1 柜內(nèi)智能設(shè)備不同間距對(duì)柜內(nèi)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(dāng)間距為1U時(shí)，最高溫度為60.01℃；當(dāng)間距為2U時(shí)，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(guò)熱現(xiàn)象。這是因?yàn)橹悄茉O(shè)備間安裝有走線槽，走線槽會(huì)阻礙空氣流通，降低智能設(shè)備散熱效率。當(dāng)間距從1U變?yōu)?U時(shí)，釋放的空間會(huì)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(shè)備的最高溫度。可見柜內(nèi)智能設(shè)備布局的合理性，會(huì)明顯影響柜內(nèi)空氣的流通性，進(jìn)而影響柜內(nèi)局部溫度。

1.5 小結(jié)

戶外柜柜內(nèi)溫度取決于從柜外進(jìn)入柜內(nèi)的熱量（包括太陽(yáng)輻射和熱傳導(dǎo)的熱量）加上內(nèi)部設(shè)備發(fā)熱量與溫濕度控制系統(tǒng)從柜內(nèi)傳到柜外的熱量之差。若要降低戶外柜柜內(nèi)溫度，一是要減少進(jìn)入戶外柜的太陽(yáng)輻射熱量，二是要盡量使柜內(nèi)熱量排到柜外。此外，柜內(nèi)智能設(shè)備安裝時(shí)應(yīng)盡量選用合理的間距設(shè)置，從而有效降低局部熱島現(xiàn)象出現(xiàn)。

2 濕度對(duì)戶外電氣設(shè)備組件柜的影響

戶外電氣設(shè)備組件柜如果設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，凝露問題極大地威脅著電網(wǎng)的安全，為保證戶外柜內(nèi)部裝置的絕緣水平,保證內(nèi)部裝置可靠工作,必須采取正確的方法，避免戶外柜內(nèi)部凝露現(xiàn)象。

2.1 溫度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)關(guān)聯(lián)分析

濕空氣的溫度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 溫度、濕度、露點(diǎn)關(guān)聯(lián)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(duì)濕度越高，凝露溫度越接近環(huán)境溫度，凝露就越容易發(fā)生。（2）形成結(jié)露的露點(diǎn)溫度始終是低于環(huán)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(dá)到飽和。同樣道理，即使?jié)窨諝獗旧頉]有達(dá)到過(guò)飽和，而與濕空氣接觸的物體表面及內(nèi)部冷卻到低于濕空氣的飽和溫度時(shí)，則在物體表面附近空氣中所含的水蒸汽也會(huì)凝結(jié)成水。即使接觸到比濕空氣露點(diǎn)溫度低一點(diǎn)點(diǎn)的物體，結(jié)露也會(huì)發(fā)生。

避免凝露的措施：（1）降低相對(duì)濕度：溫濕度控制器+加熱器解決方案，即用溫濕度控制器監(jiān)視戶外柜內(nèi)部的濕度，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到了80%RH時(shí)，啟動(dòng)加熱器將柜內(nèi)的氣溫升高，進(jìn)而降低柜內(nèi)的相對(duì)濕度；(2）降低絕對(duì)濕度：用除濕器或者是溫濕度兩路控制的空調(diào)機(jī)將柜內(nèi)空氣中的水蒸汽析出，降低柜內(nèi)空氣的絕對(duì)濕度。

南方地區(qū)氣溫較高濕度較大，尤其是梅雨季節(jié)濕度持續(xù)較大，建議采用降低絕對(duì)濕度的方案。

2.2 空調(diào)型戶外柜濕度控制優(yōu)化方案

風(fēng)扇、熱交換器和空調(diào)型的戶外柜中，空調(diào)型的濕度控制問題較為突出，通過(guò)對(duì)空調(diào)機(jī)的啟動(dòng)模式進(jìn)行優(yōu)化來(lái)改善控制效果。由原先的單路溫度檢測(cè)，優(yōu)化為溫濕度兩路檢測(cè)，并增加溫度補(bǔ)償功能解決梅雨季節(jié)低溫高濕的問題。具體的空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)方式優(yōu)化如圖3和圖4所示。

圖3 優(yōu)化前空調(diào)啟動(dòng)模式邏輯圖Fig.3 Optimize the pre-air conditioning start mode logic diagram

圖4 優(yōu)化后空調(diào)啟動(dòng)模式邏輯圖Fig.4 Optimized air conditioning start mode logic diagram

通過(guò)對(duì)空調(diào)的啟動(dòng)模式的優(yōu)化，可以將戶外柜內(nèi)的溫度和濕度均控制在合理的范圍之內(nèi)，有效地完成梅雨季節(jié)濕度的控制。

3 空調(diào)選型

3.1 空調(diào)制冷量的理論計(jì)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(huán)境溫度T0=45℃，柜內(nèi)總熱量為QI=200 W；戶外空氣傳導(dǎo)熱量QR=k×A×△T=2×7.3×10=146 W；Q總=QI+QR+QS=595.4 W?？紤]到空調(diào)運(yùn)行后期效率的降低取安全系數(shù)Ka=1.3，則空調(diào)的制冷量 Q=Ka×Q總=1.3×595.4=774 W，應(yīng)該選擇800 W制冷量的空調(diào)。

表2 7～8月戶外柜溫濕度統(tǒng)計(jì)表Tab.2 7～8 months outdoor cabinet temperature and humidity statistics table

3.2 各個(gè)變電站戶外柜實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)戶外電氣設(shè)備組件柜的溫度觀測(cè)采取環(huán)境溫度測(cè)溫方式進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分別如下。

1） 熱交換器型和空調(diào)型戶外柜溫濕度數(shù)據(jù)對(duì)比

在“迎峰度夏”期間，利用溫度記錄儀連續(xù)采集了從7月24日至8月29日一個(gè)多月每天的熱交換柜和空調(diào)柜溫濕度情況,統(tǒng)計(jì)見表2，曲線見圖5、圖6。

熱交換柜溫度比戶外環(huán)境溫度平均高4.8℃；空調(diào)柜平均溫度32.6℃，波動(dòng)在±2℃，控溫較穩(wěn)。

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(diào)柜濕度與戶外環(huán)境濕度接近，平均在55%左右，但變化劇烈，控制較差。

2）空調(diào)型戶外柜溫濕度分析

截取記錄中溫度較高的8月12日數(shù)據(jù)，繪制24 h溫濕度變化曲線圖見圖5和圖6。圖5表明，空調(diào)柜控溫理想，溫度在32℃左右，波動(dòng)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(nèi)濕度低于戶外環(huán)境濕度，曲線跟隨戶外環(huán)境濕度波動(dòng)，可控；而空調(diào)柜對(duì)濕度控制較差，有非線性特性，波動(dòng)明顯。但濕度均在電子設(shè)備工作的正常范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，戶外電氣設(shè)備組件柜用量越來(lái)越大，本文分析了戶外柜內(nèi)溫度和濕度的影響因素，提出了空調(diào)型電氣設(shè)備組件柜的濕度控制優(yōu)化方案，并針對(duì)空調(diào)型的電氣設(shè)備組件柜進(jìn)行深入的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行論證，通過(guò)分析確定合理的空調(diào)選型方法，為后續(xù)空調(diào)的選型提供了參考依據(jù)。

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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(xué)士，高級(jí)工程師。

國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司科技項(xiàng)目“電氣設(shè)備組件柜微環(huán)境控制技術(shù)優(yōu)化研究”（項(xiàng)目編號(hào)521532160014）。