變電站保護(hù)柜溫濕度智能控制研究

國網(wǎng)陜西省電力公司銅川供電公司 紀(jì) 鵬 何志昊 魏 華 西安源創(chuàng)電氣技術(shù)有限公司 王衛(wèi)平

市場經(jīng)濟(jì)的越發(fā)活躍和經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)增長使得人們收入水平得以大幅度提升，物質(zhì)生活品質(zhì)得以提高，且越來越多的現(xiàn)代化電器產(chǎn)品涌入，對電力能源的需求急劇提升，這也為電力系統(tǒng)變配電的運(yùn)行提出新的要求。在電力系統(tǒng)變配電當(dāng)中，變電站繼電保護(hù)是針對電力故障和異常狀態(tài)進(jìn)行檢測的重要保障性設(shè)計(jì)，其能夠在檢測到故障或異常信號(hào)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，也可以直接進(jìn)行故障部分的隔離，將故障部分與其它設(shè)備分離開，避免故障蔓延或影響其它設(shè)備運(yùn)行。

另外，繼電保護(hù)可以對正常運(yùn)行中的電力系統(tǒng)設(shè)備與線路進(jìn)行劃定范圍內(nèi)的監(jiān)測，針對是否發(fā)生異常運(yùn)行或突發(fā)故障進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集后發(fā)出跳閘指令，并自動(dòng)將信號(hào)發(fā)送至控制中心。相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)通信傳感設(shè)備、信息控制系統(tǒng)所發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，獲取實(shí)際故障或異常狀態(tài)信號(hào)，將信息技術(shù)與通信傳感技術(shù)以及電力相關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合后形成現(xiàn)代智能化保護(hù)，這也是電力系統(tǒng)智能化概念的產(chǎn)生機(jī)理之一。通常情況下，電力系統(tǒng)設(shè)備由于高溫、濕度過大而致使繼電保護(hù)設(shè)備會(huì)對系統(tǒng)電壓、電流異常狀態(tài)做出快速反應(yīng)，智能化的溫濕度控制器可能對保護(hù)柜提供有效的保護(hù)，避免其受到二次設(shè)備硬件故障影響而對電網(wǎng)的運(yùn)行安全帶來威脅。

總之，隨著電力系統(tǒng)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，作為電力系統(tǒng)當(dāng)中重要組成部分、變電站的運(yùn)行環(huán)境也越來越復(fù)雜化。變電站主控室保護(hù)柜在長期運(yùn)行過程中，柜內(nèi)用于測量、控制、監(jiān)視、保護(hù)、通訊等運(yùn)行的繼電保護(hù)裝置繁多，且這些設(shè)備都需要24小時(shí)不間斷運(yùn)行，致使設(shè)備大量發(fā)熱，導(dǎo)致運(yùn)行環(huán)境溫度過高，設(shè)備長時(shí)間工作于溫濕度紅線值，大大的影響其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。為了電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，對于越來越多的無人值守變電站，研制一種能夠進(jìn)行溫濕度智能控制，自動(dòng)保證保護(hù)柜內(nèi)二次設(shè)備正常運(yùn)行的系統(tǒng)顯得極其迫切。

1 變電站保護(hù)柜溫濕度智能控制重要性

變電站主控室保護(hù)柜在長期運(yùn)行過程中，柜內(nèi)用于測量、控制、監(jiān)視、保護(hù)、通訊等運(yùn)行的繼電保護(hù)裝置繁多，且這些設(shè)備都需要24小時(shí)不間斷運(yùn)行。隨著二次設(shè)備智能化水平的不斷提高，設(shè)備信息交換量非常大，cpu負(fù)載率高，促使設(shè)備發(fā)熱量大，而這些發(fā)熱位置溫度監(jiān)測難度較高，難以保證實(shí)時(shí)監(jiān)測效果，熱量發(fā)散較為緩慢，始終處于高溫下必然會(huì)容易使設(shè)備發(fā)生故障。

近些年來，變電站的繼電保護(hù)柜由于溫度過高而引發(fā)的事故數(shù)量不斷增多，使得保護(hù)裝置閉鎖或大面積設(shè)備發(fā)生通訊中斷故障，為電力企業(yè)帶來不小的損失。為此，重點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)柜繼電保護(hù)裝置過熱的故障問題是有效避免此類繼電保護(hù)事故發(fā)生的關(guān)鍵。

從繼電保護(hù)裝置的功能角度來講，其主要是針對電力系統(tǒng)當(dāng)中所存在的異常狀態(tài)或故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)故障信息發(fā)出預(yù)警或直接進(jìn)行故障和異常狀態(tài)部分與主線路隔離，避免造成故障蔓延。

究其本質(zhì)來講，繼電保護(hù)裝置主要是針對電力系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備與線路，其能夠進(jìn)行一定范圍內(nèi)的故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并發(fā)出跳閘指令與信號(hào)調(diào)整。

事實(shí)上，繼電保護(hù)裝置通過多年的應(yīng)用和研究改進(jìn)，其整體的性能和保護(hù)水平取得了不小的成果，而且也有著較為豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提供了有效的保障，而且也從整體上提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及管理質(zhì)量。在近年來信息技術(shù)智能化技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的快速進(jìn)步和電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用，通過控制原理和控制模式的融入，繼電保護(hù)水平得到了大幅提升，使得變電站繼電保護(hù)相關(guān)理論與技術(shù)水平都得到了很大的進(jìn)步。由此來看，繼電保護(hù)相關(guān)技術(shù)未來的發(fā)展必然會(huì)朝向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向靠攏，并且集中計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能化技術(shù)、保護(hù)與控制以及測量數(shù)據(jù)、通信技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)一體化發(fā)展。

2 變電站保護(hù)柜溫濕度智能控制工作原理

保護(hù)柜絕大多數(shù)采用封閉式結(jié)構(gòu)、散熱較慢，且長期在封閉、強(qiáng)磁場環(huán)境下運(yùn)行，保護(hù)柜內(nèi)各設(shè)備集成度非常高，各設(shè)備模塊運(yùn)行觸點(diǎn)多。當(dāng)溫度過高、導(dǎo)致接觸電阻超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接觸阻值，如此會(huì)加快觸頭表面氧化速度，當(dāng)觸頭的溫度超過極限值，就會(huì)致使內(nèi)部材料機(jī)械強(qiáng)度減弱，甚至損壞[2]。

對于變電站保護(hù)柜溫濕度智能控制設(shè)計(jì)，主要以《智能變電站智能控制柜技術(shù)規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求、針對當(dāng)前變電站保護(hù)柜類型及其框架設(shè)計(jì)，以PLC可編程邏輯控制器，配備數(shù)字溫濕度變送器、交流接觸器、溫濕度報(bào)警器、送風(fēng)機(jī)構(gòu)，利用PLC可編程控制器依據(jù)保護(hù)柜內(nèi)部溫濕度相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化控溫與驅(qū)風(fēng)[3]。

利用PLC可編程控制器進(jìn)行溫濕度控制器自動(dòng)啟動(dòng)、關(guān)閉控制，其內(nèi)部邏輯會(huì)控制加熱器與送風(fēng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。其具體運(yùn)行路線為：數(shù)字溫濕度變送器——溫濕度數(shù)據(jù)采集——PLC可編程控制器——交流接觸器、溫濕度報(bào)警器——加熱器與送風(fēng)機(jī)構(gòu)——溫濕度數(shù)據(jù)采集——PLC可編程控制器。

3 變電站保護(hù)柜溫濕度智能控制方案實(shí)施

3.1 控制方案設(shè)計(jì)

在工作溫度較高的保護(hù)柜內(nèi)合適位置安裝數(shù)字溫濕度變送器，將各柜內(nèi)實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)通過溫濕度變送器采集后，由485通信線統(tǒng)一送到溫濕度控制系統(tǒng)的PLC通信端口。

由PLC將溫濕度變送器采集來的實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)與設(shè)定值（保證保護(hù)柜內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行的溫濕度值）進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)時(shí)檢測值高于設(shè)定值時(shí)，PLC控制繼電器和交流接觸器輸出驅(qū)動(dòng)溫濕度報(bào)警器和送風(fēng)機(jī)構(gòu)工作，當(dāng)保護(hù)柜內(nèi)部溫度大于溫度上限設(shè)定值（本設(shè)計(jì)默認(rèn)溫度上限極限值為35℃），通過PLC可編程控制器啟動(dòng)送風(fēng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)保護(hù)柜內(nèi)部溫度下降至溫度上限設(shè)定值-溫度回差（設(shè)定為5℃）時(shí)，則送風(fēng)機(jī)構(gòu)關(guān)閉[4]。當(dāng)保護(hù)柜內(nèi)部溫度下降至溫度下限設(shè)定極限值（本設(shè)計(jì)設(shè)定為10℃）時(shí)，則柜內(nèi)加熱器啟動(dòng)，溫度上升至溫度下限極限值——溫度回差后則加熱器關(guān)閉。

對于除濕，其工作原理為通過柜內(nèi)濕度檢測，當(dāng)保護(hù)柜內(nèi)濕度超過濕度設(shè)定值（本設(shè)計(jì)設(shè)定為80%）、且柜內(nèi)溫度小于溫度上限設(shè)定極限值-溫度回差時(shí)，則進(jìn)行送風(fēng)機(jī)構(gòu)與加熱器的啟動(dòng)，當(dāng)保護(hù)柜內(nèi)部溫度上升到溫度上限設(shè)定極限值-溫度回差、則加熱器關(guān)閉，濕度小于濕度設(shè)定值-濕度回差則關(guān)閉送風(fēng)機(jī)構(gòu)。PLC控制報(bào)警裝置和送風(fēng)裝置停止工作；保證保護(hù)柜內(nèi)設(shè)備工作在規(guī)定溫濕度范圍內(nèi)。

溫濕度變送器采集到的是多個(gè)保護(hù)柜的溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，送到控制系統(tǒng)的PLC中，由PLC選擇溫濕度值最高的一組作為和設(shè)定值進(jìn)行比較的數(shù)據(jù)。這樣由多個(gè)保護(hù)柜中工作溫度最高的溫濕度數(shù)據(jù)觸發(fā)報(bào)警和送風(fēng)機(jī)構(gòu)工作，保證了其他保護(hù)柜內(nèi)設(shè)備肯定工作在低于設(shè)定值的溫濕度范圍[5]。

送風(fēng)機(jī)構(gòu)由恒溫恒濕工業(yè)除濕機(jī)和相應(yīng)的通風(fēng)管道、通風(fēng)接頭、防護(hù)罩等組成。當(dāng)控制系統(tǒng)觸發(fā)除濕機(jī)工作時(shí)，即接通除濕機(jī)主電源，恒溫恒濕除濕機(jī)的出風(fēng)口將干燥的涼空氣通過定制的出風(fēng)孔送到通風(fēng)管道中，通風(fēng)管道可根據(jù)現(xiàn)場情況安裝在主控室的電纜溝內(nèi)。由通風(fēng)管道將冷空氣通過電纜溝送到各保護(hù)柜的內(nèi)部，向柜內(nèi)送冷空氣，達(dá)到降低柜內(nèi)溫度的目的。

為了防止小動(dòng)物進(jìn)入管道，在伸到每個(gè)保護(hù)柜內(nèi)的通風(fēng)管端頭處安裝保護(hù)罩；為了使送到柜內(nèi)的風(fēng)量足夠大，根據(jù)電纜溝的長度在通風(fēng)管道中間可適當(dāng)加裝多個(gè)風(fēng)量加速器；溫濕度報(bào)警器安裝在控制系統(tǒng)箱內(nèi)，可發(fā)光發(fā)聲；溫濕度控制系統(tǒng)箱帶觸摸屏顯示，可實(shí)時(shí)的將采集到的每個(gè)保護(hù)柜內(nèi)部的溫濕度數(shù)值顯示在屏上。為數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)做好準(zhǔn)備；系統(tǒng)供電為專用線路，從交流屏的備用電源接入。

3.2 結(jié)構(gòu)與安裝

采用溫控風(fēng)扇模式，其中溫濕度控制系統(tǒng)主要運(yùn)用的導(dǎo)軌式或嵌入式，傳感器在采取導(dǎo)軌式，目的為節(jié)省智能保護(hù)柜內(nèi)空間，可控制在90～130mm空間范圍，風(fēng)扇頂部安裝、加熱器底部或后方安裝后可保證占用空間的合理性，此結(jié)構(gòu)較為適用戶外柜且尺寸無限制。

熱交換器主要采用側(cè)裝，較為適用于通信機(jī)。此外還有門裝方式，可分為內(nèi)嵌與外掛兩種，為保證符合變電站戶外保護(hù)柜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，門裝式有著較好的適用性。由于內(nèi)嵌式熱交換器占據(jù)深度較大、約為150～210mm左右，可選擇外掛式安裝，而對于800mm深的保護(hù)柜則較為適合使用嵌入式方式安裝，而由于熱交換器的尺寸相對較大，通常指適用于高度不低于1500mm、深度不低于600mm、寬度高于800mm的戶外保護(hù)柜。

此外，需配備接口與預(yù)警功能，對溫控設(shè)備需注意設(shè)置豐富的專業(yè)溫濕度控制器接口，接口可實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)、定制參數(shù)、溫濕度控制器運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息的搜集和傳輸，以便于控制中心對實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控。預(yù)警功能主要集中于傳感器異常、CPU異常、加熱器、送風(fēng)機(jī)構(gòu)等部分的狀態(tài)監(jiān)測，如發(fā)生故障可直接發(fā)出預(yù)警信號(hào)。送風(fēng)機(jī)構(gòu)接口較少，只配備數(shù)字接口，可實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)施監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)配備故障報(bào)警與失電報(bào)警接口，實(shí)現(xiàn)戶外保護(hù)柜智能送風(fēng)狀態(tài)的監(jiān)控。

4 變電站保護(hù)柜溫濕度智能控制實(shí)測分析

在電力系統(tǒng)當(dāng)中，保護(hù)柜的運(yùn)行安全和可靠性極為重要，而變電站保護(hù)柜由于需要面對多種復(fù)雜環(huán)境，常會(huì)導(dǎo)致柜內(nèi)溫度過高而引起其他設(shè)備、元器件運(yùn)行故障，尤其空氣潮濕和溫度升高會(huì)影響保護(hù)柜絕緣性能。特別南方地區(qū)，空氣濕度較大，如果保護(hù)柜元器件受潮甚至發(fā)生結(jié)露情況，會(huì)致使元器件受損而引發(fā)保護(hù)柜安全故障，甚至導(dǎo)致更大的安全事故[6]。

為有效驗(yàn)證本文所提出變電站保護(hù)柜溫濕度智能控制方案設(shè)計(jì)可行性和實(shí)際效果，筆者選取3個(gè)已經(jīng)投入運(yùn)行的變電站項(xiàng)目，變電站保護(hù)柜尺寸均為1500mm（高）×800mm（寬）×600mm（深），柜內(nèi)包括2臺(tái)智能終端，其熱耗約為200W，溫濕度控制模式設(shè)定中溫度上限設(shè)定極限值為35℃，濕度上限設(shè)定極限值為80%。

溫控模式：為實(shí)現(xiàn)保護(hù)柜內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境內(nèi)溫、濕度相關(guān)數(shù)據(jù)采集，利用本設(shè)計(jì)方案中傳感器對各保護(hù)柜設(shè)備溫、濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，上傳至監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)；送風(fēng)機(jī)構(gòu)：針對保護(hù)柜內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后傳輸監(jiān)控后臺(tái)，相關(guān)溫濕度數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 送風(fēng)結(jié)構(gòu)接收采集數(shù)據(jù)示意圖

由圖1數(shù)據(jù)得出，理想狀態(tài)下，送風(fēng)機(jī)構(gòu)與集熱器在保證保護(hù)柜內(nèi)溫濕度平衡性方面具有明顯效果，內(nèi)部溫度均保持在允許正常值范圍內(nèi)。

5 變電站保護(hù)柜溫濕度智能控制方案應(yīng)用前景

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用下，智能化變電站已經(jīng)成為變電站發(fā)展必然趨勢，為幫助電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)減員增效、增強(qiáng)勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高電網(wǎng)安全和穩(wěn)定發(fā)揮了不小的積極作用。繼電保護(hù)裝置的智能化對運(yùn)行中的電力系統(tǒng)設(shè)備和線路可根據(jù)異常或故障發(fā)出跳閘命令或信號(hào)的自動(dòng)裝置。所以，繼電保護(hù)裝置的是否穩(wěn)定運(yùn)行對變電站的安全、可靠運(yùn)行起到舉足輕重的作用。而繼電保護(hù)裝置的是否穩(wěn)定運(yùn)行在很大程度上取決設(shè)備本身發(fā)熱程度及散熱情況[8]。