GIS智能控制柜溫度均衡及電磁屏蔽技術(shù)研究

耿飛 劉露旋 戴本圣

摘要：用于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS）的智能控制柜內(nèi)通常安裝有智能終端、合并單元、測控裝置、交換機等多種智能電子設(shè)備，如何保障這些智能電子設(shè)備的正常運行對于GIS設(shè)備乃至整個變電站的正常運行具有重要意義。現(xiàn)有GIS智能控制柜一般可以實現(xiàn)IP55的防塵、防水性能，但在柜內(nèi)溫濕度控制性能及電磁屏蔽性能方面還存在不足，需要研究改進。本研究分析了現(xiàn)有GIS智能控制柜低溫環(huán)境下柜內(nèi)溫差較大的原因，研究了智能控制柜溫度均衡關(guān)鍵技術(shù)；分析了現(xiàn)有智能控制柜電磁屏蔽性能不良的原因，研究了智能控制柜電磁屏蔽效能提升關(guān)鍵技術(shù)；研制了雙艙結(jié)構(gòu)GIS智能控制柜樣機，并進行了高低溫試驗和電磁屏蔽效能實驗。實驗結(jié)果表明：智能控制柜溫度均衡關(guān)鍵技術(shù)和電磁屏蔽關(guān)鍵技術(shù)效果良好，可以推廣使用。

關(guān)鍵詞：智能控制柜；溫度均衡技術(shù)；電磁屏蔽技術(shù)

中圖分類號：TN03文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）35-0036-04

Research on Temperature Equalization and Electromagnetic Shielding Technology of GIS Intelligent Control Cabinet

GENG FeiLIU LuxuanDAI Bensheng（Henan Pingzhi High-Voltage Switchgear Co.， Ltd.， Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： Intelligent control cabinets for gas-insulated metal-enclosed switchgear （GIS） are usually equipped with switchgear controller， merging units， measurement and control devices， switches and other intelligent electronic equipment. How to ensure the normal operation of these intelligent electronic devices is of great significance to the normal operation of GIS equipment and even the entire substation. The existing GIS intelligent control cabinet can generally achieve IP55 dustproof and waterproof performance， but there are still shortcomings in the temperature and humidity control performance and electromagnetic shielding performance in the cabinet， and research and improve？ ment are needed. The reasons for the large temperature difference in the GIS intelligent control cabinet under the low temperature environment are analyzed. The key technologies of temperature equilibrium in intelligent control cabinet are researched. The reasons for the poor electromagnetic shielding performance of intelligent control cabinet are ana？ lyzed. The key technologies to promote intelligent control cabinet electromagnetic shielding effectiveness are re？ searched. Developed a dual-cabin structure of GIS intelligent control cabinet prototype， and carried out high and low temperature test and electromagnetic shielding effectiveness experiment. The experimental results show that the key technologies of temperature equilibrium and the key technologies of electromagnetic shielding are effective and can be widely used.

Keywords： intelligent control cabinet；temperature equalization technology；electromagnetic shielding technology

智能控制柜（匯控柜）是智能變電站功能實現(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，對現(xiàn)場環(huán)境條件、電磁環(huán)境的耐受能力會直接影響智能變電站的安全運行?！吨悄茏冸娬局悄芸刂乒窦夹g(shù)規(guī)范》（Q/GDW 1430—2015）增加了智能控制柜溫濕度調(diào)節(jié)性能和電磁屏蔽效能的要求。關(guān)于溫濕度調(diào)節(jié)性能，規(guī)范要求智能控制柜內(nèi)上部、中部、下部溫度差值不大于10℃；關(guān)于電磁屏蔽效能，規(guī)范要求其符合《電子設(shè)備機械結(jié)構(gòu)公制系列和英制系列的試驗第3部分：機柜、機架和插箱的電磁屏蔽性能試驗》（GB/T 18663.3—2007）的1級要求[1]。國家電網(wǎng)公司委托中國電力科學(xué)研究院組織國內(nèi)智能控制柜生產(chǎn)廠家按照相關(guān)規(guī)范研制智能控制柜樣機，并集中進行溫濕度調(diào)節(jié)性能和電磁屏蔽性能檢測。首批進行測試的9個廠家的17臺智能控制柜存在兩個突出的問題：①低溫環(huán)境下（-45℃），部分廠家智能控制柜內(nèi)上、下部溫差可達40℃（上部+20℃，下部-20℃）；②電磁屏蔽效能均不能達到GB/T 18663.3—2007的1級要求。

針對上述問題，研制了一種改進的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas-Insulated metal-enclosed Switchgear，GIS）智能控制柜產(chǎn)品。該產(chǎn)品在中國電力科學(xué)研究院完成了所有性能檢測實驗，包括柜內(nèi)溫差和電磁屏蔽效能在內(nèi)的各項性能均滿足標(biāo)準要求。

1GIS智能控制柜溫度均衡技術(shù)研究

1.1現(xiàn)有GIS智能控制柜溫度控制系統(tǒng)缺陷

智能控制柜內(nèi)通常安裝有智能終端、合并單元、測控裝置、交換機等多種智能電子設(shè)備。為保障這些電子設(shè)備正常運行，普遍采用機柜空調(diào)器控制柜內(nèi)空氣溫濕度。220 kV及以上電壓等級GIS產(chǎn)品配套使用的智能控制柜一般采用雙艙結(jié)構(gòu)，每個艙室均安裝有智能組件和其他電氣元件。出于成本和運維考慮，一般僅在其中一個艙室安裝機柜空調(diào)器，柜內(nèi)的空氣循環(huán)由機柜空調(diào)器控制。為保障夏季空調(diào)的制冷效果最佳，空調(diào)器一般安裝在柜門中上部位。當(dāng)冬季智能控制柜運行環(huán)境溫度較低時，空調(diào)器吹出的熱空氣在柜體頂部聚集，柜體下部空氣得不到有效加熱，導(dǎo)致柜體上、下部溫差較大。柜內(nèi)空氣循環(huán)主要在安裝空調(diào)的艙室中進行，導(dǎo)致另一個艙室內(nèi)空氣溫度偏低。

1.2GIS智能控制柜溫度均衡技術(shù)方案

GIS智能控制柜溫度均衡方案如圖1所示。由圖1可知，GIS智能控制柜采用雙艙結(jié)構(gòu)，左右艙中均安裝有電氣元件。左右艙中間設(shè)置有隔板，隔板由橫撐和立柱構(gòu)成，橫撐、立柱之間的空隙供空氣流通，隔板兩側(cè)安裝有部分電氣元件。左艙后門中上部位安裝有一臺機柜空調(diào)器，空調(diào)器具有制冷和加熱功能。該功能由空調(diào)器內(nèi)置的溫濕度傳感器和溫濕度控制器控制?？照{(diào)器柜內(nèi)空氣循環(huán)方式為上進風(fēng)、下出風(fēng)。左右艙底板各安裝有一個加熱器，隔板上部和下部各安裝一個嵌入式小型風(fēng)扇。底部風(fēng)扇的吹風(fēng)方向為左艙至右艙，頂部風(fēng)扇的吹風(fēng)方向為右艙至左艙。隔板上安裝有獨立的溫度控制器，用于控制左右艙底板加熱器和隔板風(fēng)扇的啟停，與溫度控制器配套的溫度傳感器安裝在隔板下部。

低溫環(huán)境下智能控制柜溫度均衡過程如下：當(dāng)智能控制柜內(nèi)溫度低于設(shè)定值T1時，空調(diào)器啟動加熱功能，對左艙中上部的空氣進行循環(huán)加熱；隔板上安裝的溫度控制器檢測到柜體下部空氣溫度低于設(shè)定值T1時，啟動左右艙底板加熱器和隔板上下部風(fēng)扇；底板加熱器對左右艙下部空氣進行加熱，并在柜體下部形成局部空氣循環(huán)；隔板下部風(fēng)扇將空調(diào)器出風(fēng)口熱風(fēng)導(dǎo)入右艙，隔板頂部風(fēng)扇將右艙空氣導(dǎo)入左艙，左右艙之間形成空氣大循環(huán)。智能控制柜內(nèi)空氣溫度達到設(shè)定值T2時，空調(diào)器停止加熱，左右艙底板加熱器和隔板風(fēng)扇停止工作[2-3]。

高溫環(huán)境下，單純依靠空調(diào)器即可維持柜內(nèi)空氣溫度均衡，其過程不再詳述。

2GIS智能控制柜電磁屏蔽技術(shù)研究

2.1現(xiàn)有GIS智能控制電磁屏蔽缺陷

GIS智能控制柜柜門與柜體之間的密封條為絕緣材料，柜門雖然通過接地線與柜體外殼電氣導(dǎo)通，但其作用僅為保證人員安全。柜門四周與柜體外殼沒有連續(xù)電氣導(dǎo)通，不導(dǎo)電間隙為電磁波泄漏提供了通道。機柜空調(diào)器嵌入式安裝在后門上，空調(diào)器四周與柜門接觸部位采用絕緣材質(zhì)的密封條，空調(diào)器與柜門的不導(dǎo)電間隙為電磁泄漏提供了通道?？照{(diào)器的進風(fēng)口與出風(fēng)口破壞了空調(diào)器外殼的導(dǎo)電連續(xù)性，進而影響智能控制柜的電磁屏蔽效能。

2.2GIS智能控制柜電磁屏蔽技術(shù)方案

純碳填充的高溫固化的導(dǎo)電硅膠（簡稱導(dǎo)電密封條）具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和機械性能，可以制備成屏蔽產(chǎn)品，其具備防塵、防水的密封性能。根據(jù)智能控制柜柜門密封原理，選用D形截面導(dǎo)電密封條，如圖2所示。導(dǎo)電密封條設(shè)置有居中背膠，可將密封條與智能控制柜柜門可靠地粘貼在一起。密封條背膠兩側(cè)的部分與柜門直接接觸并電氣導(dǎo)通。導(dǎo)電密封條采用四角斜切45°拼接的方式進行粘圈，可以保證密封條的平整性和導(dǎo)電連續(xù)性，如圖3所示。柜門關(guān)閉后導(dǎo)電密封條分別與柜體外殼和柜門接觸并電氣導(dǎo)通，柜門與柜體外殼構(gòu)成電磁屏蔽效果較好的導(dǎo)電連續(xù)體。

因空調(diào)器采用固定安裝方式，可將空調(diào)器現(xiàn)有密封條更換為金屬絲網(wǎng)橡膠復(fù)合密封條，金屬絲網(wǎng)密封條將空調(diào)器外殼與柜門連續(xù)電氣導(dǎo)通，減少電磁波泄漏，如圖4所示。空調(diào)器進風(fēng)口和出風(fēng)口無法封閉，可在進風(fēng)口和出風(fēng)口內(nèi)增加一層截止波導(dǎo)板，減少電磁波泄漏，如圖5所示[4-9]。

3智能控制柜溫度均衡技術(shù)實驗驗證

在中國電力科學(xué)研究院電力工業(yè)電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗測試中心進行了-45℃低溫實驗和+45℃高溫實驗。實驗在高低溫、濕度綜合環(huán)境模擬箱中進行，如圖6所示。-45℃低溫實驗持續(xù)進行24 h；+45℃高溫實驗持續(xù)進行72 h，其中24 h伴有1 120 W/m2模擬太陽光照。智能控制柜內(nèi)設(shè)置有14個溫度傳感器對柜內(nèi)空氣溫度進行連續(xù)監(jiān)測，14個溫度傳感器布置在智能控制柜的左艙、右艙及上中下各個部位。實驗室每1 h記錄一次傳感器的測量值，計算智能控制柜內(nèi)的溫度平均值和差值。低溫實驗部分數(shù)據(jù)見表1，高溫實驗部分數(shù)據(jù)見表2。采用溫度均衡技術(shù)后，智能控制柜溫差不大于6℃，滿足溫差不大于10℃的標(biāo)準要求。

4智能控制柜電磁屏蔽效能實驗

在中國電力科學(xué)研究院電力工業(yè)電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗測試中心進行了智能控制柜電磁屏蔽效能實驗，實驗在電磁兼容實驗室10米法半電波暗室進行。實驗場景見圖7，垂直極化屏蔽效能實驗結(jié)果見表3，水平極化屏蔽效能實驗結(jié)果見表4。實驗結(jié)果表明，智能控制柜電磁屏蔽效能達到GB/T 18663.3—2007的1級要求。

5結(jié)語

通過分析現(xiàn)有GIS智能控制柜存在溫差較大及電磁屏蔽性能不良情況的原因，研究了智能控制柜溫度均衡及電磁屏蔽關(guān)鍵技術(shù)；研制了雙艙結(jié)構(gòu)GIS智能控制柜樣機，并進行了高低溫實驗和電磁屏蔽效能實驗，驗證了技術(shù)方案的正確性和實用性。實驗結(jié)果表明：研究提出的智能控制柜溫度均衡關(guān)鍵技術(shù)和電磁屏蔽關(guān)鍵技術(shù)效果良好，可以推廣使用。

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