湖南地區(qū)戶外智能控制柜環(huán)境控制研究

劉 雷，張 延

（中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007）

0 引 言

近年來，智能變電站技術(shù)得到迅猛發(fā)展。智能變電站三層結(jié)構(gòu)中的過程層（合并單元和智能終端等智能組件）作為傳統(tǒng)一次設(shè)備與智能化二次設(shè)備的接口層[1]，是提高智能一次設(shè)備集成化、數(shù)字化程度的重要環(huán)節(jié)，提供良好的環(huán)境保障智能組件安全穩(wěn)定運行也顯得尤為重要。

湖南地區(qū)屬亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明，其特點是：春溫多變，寒潮頻繁；夏多暴雨，易遭洪澇，時有酸雨；秋常干旱，氣候炎熱；冬少嚴寒，間有冰凍。最高溫度約42 ℃，最低約-10 ℃；平均濕度為76.6%，最大濕度為96.8%；最大一日降雨量為178.2 mm，平均降水量為1 275.6 mm；平均霜日數(shù)為14.6 d；中南部地區(qū)酸雨頻率62.3%。

智能組件的工作溫度為-25～+55 ℃，適宜溫度為+15～+35 ℃；相對濕度≤80%；需防水、防凝露及防酸雨腐蝕。

智能控制柜作為智能組件的宿主設(shè)備，需提供高溫、嚴寒、雨水、凝露及塵土等環(huán)境防護，以保障智能組件安全穩(wěn)定運行。

本文研究了湖南地區(qū)戶外惡劣的自然環(huán)境下，智能控制柜消除外界環(huán)境對智能設(shè)備帶來的影響，對柜內(nèi)運行環(huán)境實時監(jiān)測和控制，保障智能設(shè)備正常運行的方案。

1 環(huán)境控制技術(shù)

智能變電站的智能組件主要依靠高精度的控制芯片和持續(xù)穩(wěn)定運行的電路電子元器件。電子器件故障的主要原因為熱疲勞、機械過應力、潮濕腐蝕及靜電。圖1為電子器件故障原因。

圖1 電子器件故障原因

現(xiàn)場運行過程中，智能組件固定安裝在戶外智能控制柜內(nèi)，受機械過應力的影響較小。但在戶外高溫和長時間強光照射的密封條件下，柜內(nèi)設(shè)備的工作溫度容易過高，從而影響智能設(shè)備的精確性和穩(wěn)定性，可能發(fā)生誤動和拒動的情況，導致電力事故。此外，低溫和潮濕也同樣影響智能設(shè)備正常有序工作。

1.1 溫濕度控制柜技術(shù)

目前，戶外智能控制柜溫濕度控制技術(shù)主要包括集中式溫濕度控制方式和分散式溫濕度控制方式[2]。

1.1.1 集中式控制方式

該環(huán)境控制系統(tǒng)采用集中控制的方式，具體如下。（1）在站內(nèi)場地集中放置一組空調(diào)主機（可按雙重化考慮）；（2）空調(diào)主機連接多個主輸送管道，該管道放置于電纜溝內(nèi)；（3）各智能控制柜通過分支管道與主輸送管道相連；（4）分支管道的智能控制柜側(cè)管口設(shè)置密集型網(wǎng)罩，防止小動物等爬入，導致管道堵塞；（5）各智能控制柜頂設(shè)置通風閥。

1.1.2 分散式控制方式

（1）空調(diào)技術(shù)

圖2為空調(diào)技術(shù)示意圖。由圖2可知，空調(diào)通過壓縮制冷方式進行降溫（蒸發(fā)器與柜內(nèi)空氣的熱交換、冷凝器與柜外空氣的熱交換），使智能控制柜內(nèi)溫度保持在比較恒定的范圍。

圖2 空調(diào)技術(shù)示意圖

該技術(shù)密封性能好，可有效防止塵土、潮濕氣體及腐蝕性氣體進入柜內(nèi)。此外，空調(diào)還具備加熱和除濕功能。

但空調(diào)具有一定損壞率，而且若空調(diào)發(fā)生故障，現(xiàn)場運維困難。同時，無冗余設(shè)計考慮，會導致智能控制柜溫濕度控制系統(tǒng)失效。

（2）熱交換技術(shù)

該技術(shù)是基于熱傳導原理，如圖3所示。通過熱交換器兩側(cè)的風扇加速空氣流動，使熱量由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞，實現(xiàn)兩側(cè)的熱量交換。

圖3 熱交換技術(shù)示意圖

熱交換介質(zhì)兩側(cè)的空氣互不接觸，柜體設(shè)計為全封閉結(jié)構(gòu)，能有效防止塵土、潮濕氣體進入柜內(nèi)，但該技術(shù)不能有效防止凝露。

（3）強迫風冷技術(shù)

該技術(shù)屬于直接散熱，即直接將柜內(nèi)外空氣互換，柜外冷空氣輸送至柜內(nèi)，柜內(nèi)熱空氣排出柜外。

強迫風冷技術(shù)結(jié)構(gòu)較為簡單、體積小、運維方便、功耗小且成本低。但該技術(shù)防塵土、潮濕氣體及腐蝕性氣體的能力較差。

1.2 柜體防護技術(shù)

戶外智能控制柜柜體防護首先需滿足強度要求，同時滿足空調(diào)技術(shù)的溫濕度控制方案密封性要求。

1.2.1 柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計

戶外柜整體采用內(nèi)、外雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計一體式柜體，內(nèi)柜、頂蓋、底座、雙層側(cè)板及前后柜門采用拼裝、焊接及鉸接的形式。柜體采用優(yōu)質(zhì)304不銹鋼材料可防酸雨，材料厚度不小于1.5 mm。立柱承重性強，框架剛性好，機柜強度高。柜體結(jié)構(gòu)強度可承受至少12級風的破壞，同時也可承受至少8級地震破壞。柜體上部設(shè)置防雨帽頂，柜頂留有散熱通道，如圖4所示。柜體與門板接觸的部位設(shè)置斜坡式導水槽。

圖4 防雨帽示意圖

1.2.2 柜體密封設(shè)計

前后門與門框之間均采用密封材料；柜體的主體和基座兩節(jié)之間的接縫采用防水措施；柜底電纜、光纜的進出孔采用防火材料封堵的同時，采用塔形橡膠護線套，不同直徑的圓形口可匹配相應尺寸的線纜，保證良好的密封性能。

2 湖南地區(qū)環(huán)境控制方案

跟蹤已投運的智能變電站，采用紅外測溫發(fā)現(xiàn)智能控制柜內(nèi)溫度普遍較高，尤其是光纖接口處。湖南地區(qū)某變電站智能控制柜內(nèi)智能裝置背板發(fā)熱點最高溫度為57.9 ℃。

湖南地區(qū)戶外智能控制柜需滿足炎熱、嚴寒、潮濕、凝露、塵土等惡劣環(huán)境的防護要求。根據(jù)工程運行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，熱交換和強迫風冷技術(shù)不能完全滿足上述要求，建議湖南地區(qū)戶外智能控制柜采用集中控制方式或分散式空調(diào)技術(shù)。

2.1 空調(diào)技術(shù)方案

湖南地區(qū)110 kV變電站典設(shè)方案中，一次規(guī)模多為4線2變；電氣設(shè)備采用戶外AIS方案時，110 kV部分和主變設(shè)備共占地面積約3 600 m2；電氣設(shè)備采用戶外GIS方案時，110 kV部分和主變設(shè)備共占地面積約2 000 m2；需采用智能控制柜11個。該規(guī)模采用集中控制方式施工較為復雜、成本較高，建議采用分散式空調(diào)技術(shù)[3]。

目前柜體尺寸較為多樣，建議采用國網(wǎng)標準化尺寸的戶外智能控制柜，具體形式如表1所示[4]。

智能控制柜建議設(shè)置1臺空調(diào)，安裝于柜體背門，如圖5所示。經(jīng)統(tǒng)計可知，柜內(nèi)智能組件設(shè)備功耗約0.13 kW，而上述尺寸的柜體需考慮0.26 kW的功耗，因此0.39 kW以上的空調(diào)才能滿足運行要求。為留有裕度，建議采用較為常用的0.5 kW空調(diào)。

圖5 智能控制柜空調(diào)布置圖

2.2 集中控制技術(shù)方案

該技術(shù)正在試行階段，且現(xiàn)場施工相對較為復雜，目前暫未在湖南地區(qū)的工程中推廣。但因運行維護更方便，可靠性更高，且成本更低（在規(guī)模較大的變電站中），建議在湖南地區(qū)工程中逐步推廣使用。

220 kV變電站建設(shè)方案中，220 kV出線為4～6回，主變?yōu)?臺，110 kV出線為8～12回；電氣設(shè)備采用戶外GIS方案時，220 kV、110 kV部分和主變設(shè)備共占地面積約7 000 m2；電氣設(shè)備采用戶外AIS方案時，220 kV、110 kV部分和主變設(shè)備共占地面積約12 000 m；需采用智能控制柜約27個。500 kV變電站戶外配電裝置各電壓等級均設(shè)有智能控制柜，占地面積約30 000 m。上述規(guī)模場地較大、柜體數(shù)量較多，可采用集中控制技術(shù)。

目前柜體尺寸較為多樣，建議采用國網(wǎng)標準化尺寸的戶外智能控制柜，具體形式如表2所示。

建議220 kV AIS/GIS類型變電站采用25 kW容量的雙重化主機（可根據(jù)主機位置以及主輸風管道長度進行調(diào)整），500 kV變電站采用60 kW容量的雙重化主機（可根據(jù)主機位置以及主輸風管道長度設(shè)置多個主機），放置于站內(nèi)靠近配電裝置的合理位置，并設(shè)置遮陽（遮雨）棚。

主機采用防火材質(zhì)的輸風管道（布置在電纜溝內(nèi)），將新風輸送至各智能控制柜（底部開孔）。

表1 110 kV智能控制柜型號

表2 500kV/220kV智能控制柜型號

2.3 其他環(huán)境控制方案

本研究在上述兩種環(huán)境控制技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，進一步提出了4種環(huán)境控制的方案。

（1）溫濕度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

空調(diào)技術(shù)和集中式控制技術(shù)均考慮溫濕度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，當柜內(nèi)溫度高于30 ℃時，系統(tǒng)將自啟動空調(diào)；當柜內(nèi)溫度低于20 ℃時，系統(tǒng)將自關(guān)閉空調(diào)；當柜內(nèi)溫度低于10 ℃時，系統(tǒng)將自啟動除濕加熱裝置或空調(diào)；相關(guān)信息上送至后臺。同時，柜內(nèi)安裝溫濕度顯示儀，柜體前門采用局部玻璃材質(zhì)，方便運行人員在就地運行檢修時及時查看，如圖6所示。

（2）微超壓系統(tǒng)

針對除濕、防塵的問題，本方案提出采用微超壓系統(tǒng)，如圖7所示[5]。將經(jīng)過濾、除水干燥的空氣充入柜內(nèi)，使智能控制柜內(nèi)氣壓為1.05倍外部大氣壓，始終保持在微超壓狀態(tài)，從而迫使灰塵、潮氣不能侵入到智能柜。該系統(tǒng)設(shè)置自動控制子系統(tǒng)，自動監(jiān)測控制柜的氣壓值，當柜內(nèi)氣壓低于設(shè)定壓力值2 000 Pa時，自啟動微超壓系統(tǒng)；當柜內(nèi)氣壓高于設(shè)定壓力值5 000 Pa時，自關(guān)閉微超壓系統(tǒng)；當氣壓控制開關(guān)拒動或高于設(shè)定壓力值6 500 Pa時，自動開放出風閥，釋放壓力。

圖6 智能控制柜正面圖

圖7 微超壓系統(tǒng)

（3）自動除塵系統(tǒng)

空調(diào)技術(shù)和集中控制技術(shù)均存在使用時間較長后，過濾網(wǎng)灰塵堆積的現(xiàn)象。本研究提出空氣濾網(wǎng)積塵的除塵設(shè)計，具體如下。第一，在濾網(wǎng)的指定位置，將由電源驅(qū)動的振動源所產(chǎn)生的振動作用在濾網(wǎng)上，提供振動源以一定的電力時，振動源驅(qū)動濾網(wǎng)產(chǎn)生振動。當濾網(wǎng)灰塵聚積到一定程度需除塵時，智能控制模塊會接通濾網(wǎng)上的振動源的工作電源，振動源工作將聚積在濾網(wǎng)上的灰塵振落。第二，智能控制模塊適時地控制風機以提供反向氣流，將振落的灰塵吹離濾網(wǎng)，從而達到除塵效果。

（4）防火閥

針對集中控制方式防火性能低的弊端，建議在柜頂部出風閥裝設(shè)篩網(wǎng)，網(wǎng)眼尺寸不大于2 mm×2 mm，金屬絲的直徑不應小于0.45 mm；另在柜底部通風管處裝設(shè)防火閥，如圖8所示，設(shè)定溫度高于70 ℃時，關(guān)閉風道。

3 結(jié) 論

本文主要從戶外智能控制柜溫濕度控制和柜體設(shè)計兩方面進行研究，旨在為湖南地區(qū)制定合理、統(tǒng)一的戶外智能控制柜環(huán)境控制方案。文章分析了分散式溫濕度控制方案、集中式溫濕度控制方案、柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及柜體密封設(shè)計方案，為今后智能控制柜環(huán)境控制方案設(shè)計提供了借鑒。