智能变电站二次设备就地化防护技术

牛 强，钟加勇，陶永健，姜 帅，席亚克，韩 湘，张瑞芬

(1．许继集团有限公司，河南省许昌市461000;2．国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆市401121)

0 引 言

随着资源节约型、环境友好型社会建设的逐步推进，“节材、节地、节能”等要求日益凸显［1］。变电站建设趋向于土地占用少、工程造价低、建设周期短、运维便捷等特点，新技术、新材料的发展也为变电站建设模式改变创造了条件［2］。通过优化智能变电站布局，逐步推进二次设备就地化，是智能变电站建设模式的发展方向之一［3］。

二次设备就地化有利于节省电缆，简化二次回路，使二次回路更加清晰、简单、可靠;减少主控室、保护小室建筑面积，节约投资;减少施工的工作量，方便运行维护［4］。

二次设备下放到高压配电区中安装，电磁和气候环境恶劣，需要采取合理的抗干扰和温湿度防护措施，保障设备安全运行。目前，二次设备就地化防护方案主要有以下3 种。

(1)保护小室。保护小室设置在高压配电区内，采用导电或导磁的封闭面对内外空间进行电磁隔离［5］。电场屏蔽的屏蔽体主要由良导体制成，并良好接地，形成零电位法拉第笼;磁场屏蔽的屏蔽体主要由高磁导率的金属材料制成。保护小室多应用于220 kV 及以上变电站，对二次设备防护效果好。对于低电压等级变电站，由于二次设备不多，占地面积小，不宜采用保护小室模式。

(2)户外柜。户外柜由金属或非金属材料制成，其内部可安装就地化二次设备及其他配套设备，能为内部设备提供可靠的机械和环境保护的户外柜体［6］。户外柜配置温湿度控制系统，能够根据柜内温度、湿度变化自动进行调节，为柜内设备提供合适的温度、湿度环境。

(3)无防护方案。美国GE 公司研制了可以无防护安装的就地化设备，无须配置户外柜进行防护，安装更加简便，对安装环境要求低。

综上所述，保护小室防护方案增加了变电站建筑面积，土建周期长;户外柜防护方案按间隔配置，柜体数量多，而且环境防护效果有限，在风沙、雨雪等恶劣天气下设备运维管理不便［7］;无防护方案硬件成本高，经济性差，不利于推广。针对上述问题，本文通过研究温度、湿度、电磁干扰对二次设备的干扰机制，结合重庆大石220 kV 智能变电站建设情况，综合考虑可靠性和经济性，提出了一种预制舱防护方案，具有布置紧凑、经济性好、防护效果明显、可厂内预制生产、建设周期短等特点。

1 气候和电磁环境对设备的影响

1.1 温度的影响

(1)温度对半导体器件的影响。半导体器件对温度反应很敏感，过高的温度会使器件的工作点发生漂移、增益不稳定、噪声增大以及信号失真，严重时引起热击穿。

(2)温度对电阻器件的影响。温度升高，会使电阻的使用功率下降，导致其寿命降低。温度每升高或降低10 ℃，阻值变化1%。

(3)温度对电容器件的影响。温度对电容器件的影响，主要是降低使用寿命。在超过规定允许温度范围工作时，温度每升高10 ℃，寿命降低一半。

在无散热措施下，对户外柜进行温升测试，数据统计如图1 所示。测试环境:柜体完全封闭，无任何散热措施，放置于户外无遮蔽场所;柜内4 台设备，每台功耗60 W，总功耗240 W 左右;测试地点在许昌。室外温度由温度计测得，柜内温度由温度传感器测得，外侧壁、门外侧温度由红外测温仪测得。

图1 户外柜温升趋势图Fig.1 Temperature trend of outer chamber

测试结论:如果不配备散热措施，柜内温度将逐步攀升，使柜内设备处于高温环境下运行，可能导致设备因温度过高而“死机”，降低就地化设备可靠性。

1.2 湿度的影响

空气湿度接近或达到饱和时，会在元器件、PCB上产生凝露现象，造成绝缘材料表面的电导率增加，体积电阻率降低，介质损耗增加，导致电气短路、漏电或击穿等，增大元件偶然失效的几率，缩短设备的平均故障间隔时间tMTTR。

1.3 电磁环境的影响

(1)一次设备运行。变电站中运行的线路、母线会产生工频磁场，电压等级越高，电场强度越大。不良气候条件下导线上的电晕、连接不紧密处金属部件的放电、脏污外绝缘表面的局部放电等都可成为频谱宽的干扰源［8］。

(2)开关操作。变电站内断路器、隔离开关等一次设备在投切操作时，由于感性负载存在，触头间会产生一系列电弧，在被断开或充电的母线上引起一系列的高频电流波和电压波，并以暂态电磁波形式向周围空间辐射，通过连接在母线上的互感器耦合至二次回路［9］。

(3)雷电。雷击暂态过电压以大气行波的方式向变电站传播，不仅直接作用至一次设备，而且通过CT、PT 或一、二次系统间的各种耦合途径，或接地网进入二次回路。如果受影响的设备阻抗较高，则设备承受雷击电压脉冲;如果受影响的设备阻抗较低，则设备承受雷击电流脉冲，引起变电站地电位升高及地电位差［10］。

(4)系统短路故障。系统短路时，大电流经接地点进入接地网，引起接地点乃至整个接地网电位升高，在二次回路中产生共模干扰电压［11］。统计表明，变电站内高压母线接地时，在二次电缆上产生的干扰电压峰值可达到几十V 到1 万多V，暂态电压的频率可达几百kHz。

(5)干扰电压。电磁感应产生的干扰电压，是由于一次回路和二次回路之间存在互感引起的。干扰电压的大小与一二次回路间的互感阻抗、干扰源电流的大小、频率以及一二次回路的相对位置有关。控制电缆和干扰源导线平行时的电磁干扰，如图2所示［12］。

图2 设备之间的干扰电压Fig.2 Interference voltage between devices

若干扰源流过按正弦规律变化的电流，则一、二次回路间的互感M 按公式(1)计算:

式中:μ0为空气的导磁系数;L 为平行的电缆芯长度;a、b 为每根电缆芯与干扰源的距离。

此时，负载上的干扰电压按公式(2)计算:

电磁感应引起的干扰电压足够大时，可能会导致有关设备的误动作和绝缘击穿。

2 预制舱防护方案

2.1 预制舱组成

预制舱整合了户外柜和集装箱的优势，由舱体、保护屏体、舱内配套设备、电磁屏蔽、防雷及接地等组成。舱内配套设备主要包括照明系统、空气调节系统、防静电地板、消防系统、监测采集设备等(见图3)。上述设备及舱内保护屏体，可以在工厂内完成整体的制造、安装和配线，作为一个整体运输到施工现场，进行安装、接线和调试，可大幅缩短建设周期。

预制舱内部空间大，可容纳多面柜体，能够同时为多个间隔的就地化二次设备提供防护。

图3 预制舱组成Fig.3 Composition of precast chamber

2.2 预制舱尺寸

根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》，以下几种情况属于超限运输:车货总高度从地面算起4 m以上;车货总长18 m 以上;车货总宽度2.5 m 以上。为避免大件运输的问题，预制舱的尺寸可借鉴现有集装箱的标准尺寸，采用以下3 种尺寸。

(1)20 尺预制舱:6 058 ×2 438 ×2 896(mm);

(2)30 尺预制舱:9 125 ×2 438 ×2 896(mm);

(3)40 尺预制舱:12 190 ×2 438 ×2 896(mm)。

2.3 预制舱性能要求

预制舱安装在配电装置区，为就地化二次设备提供可靠的防护措施，确保二次设备安全运行，应满足以下性能要求:

(1)使用寿命不低于20年;

(2)防护性能不低于IP55;

(3)温湿度控制系统方案应因地制宜，根据不同地域的环境条件选择切合实际的方案，保证预制舱内温湿度环境满足设备运行和运维的要求;

(4)电磁屏蔽方案应设计合理，保证预制舱内设备在配电装置区正常工作;

(5)配置视频监控及火灾报警系统，视频和报警信息传至智能辅助控制系统;

(6)配置应急照明系统和逃生门。

2.4 预制舱结构

(1)预制舱的结构设计应综合考虑风荷载、地震作用，满足抗风及抗震要求。

(2)预制舱基本结构分为整体式和拼装式2 种。整体式刚性结构的箱体为钢质，6 面封闭，安装1 扇房门，底部留电缆进出口;拼装式结构的箱体为板材、构件拼装组成，5 面封闭，安装1 扇房门，底部座在水泥基础平面上。

(3)建议预制舱主体结构采用强度高、自重轻、整体性和抗震性好的钢结构型，梁柱间采用焊接或螺栓连接。舱体底部可加设水平或纵向工字钢或槽钢，加强舱体的整体牢固性。

(4)建议预制舱顶部设计为斜顶结构，预防积水和积雪;斜顶与箱体采用紧固件连接方式，紧固件设计应考虑当地最大风速等天气情况。

(5)为方便稳定起吊，预制舱底部设置伸缩式吊装杆，吊装时可方便的拉出。

2.5 舱体材料

为保证就地化二次设备在良好的环境条件下运行，预制舱需要进行隔热处理，可以采用以下几种方式:连接结构、木框结构、隔热填充料、胶合板等，隔热填充材料为聚苯泡沫板和聚氨酯等。

预制舱多采用金邦板做为舱体材料。金邦板以水泥、粉煤灰、硅粉、珍珠岩为主要原料，加入复合纤维增强，经真空高压挤出成型，并经高温高压蒸气养护、精细加工与多层喷涂而成;具有绿色环保、轻质高强、隔音隔热、耐水防火、耐候抗冻等特点。

2.6 预制舱温湿度控制系统

预制舱较户外柜空间大，可供选择的温湿度控制系统比较多，按能耗从低到高主要有3 种温湿度控制系统。

(1)全新风系统。由新风主机、风管路、阀门、排风机、控制系统组成。新风主机由取风口、过滤网、风机、湿膜加湿器等组成，详见图4。

图4 全新风系统组成Fig.4 Composition of new wind system

(2)热管节能转换器。热管由外壳、吸液芯和载热工质3 部分组成，导热能力强，是优良导热体银、铜的当量导热系数的数百倍，能在温差极小的情况下，传递热流，详见图5。

图5 热管节能转换器Fig.5 Heat pipe energy-saving converter

(3)空热一体机。热管系统和空调系统互为备用，可设定室外温度低于30 ℃时，热管启动，空调不启动;高于30 ℃时，由空调制冷。该机具有双高效节能、无室外机、防盗、噪音低、蒸发器不过新风、冷凝器不易积尘等优点，详见图6。

图6 空热一体机Fig.6 Integration of air conditioning and heat pipe

为使箱体内部维持恒温，舱内配置双套空热一体机，形成双冗余备份，进行内部环境温湿度控制。2台空热一体机的工作状态按一定的逻辑程序控制，保证舱体内始终有1 台正常运行，当1 台出现故障时，及时切换至另外1 台运行，同时发出故障警报，保障柜内环境的稳定。同时2 台设定不同的启动温度，并与智能辅助控制系统进行联动，可保证当逻辑控制系统发生故障，舱内温度升至一定高度时，备用空调及时启动，实现控制系统的双冗余保障，大大提高了温湿度控制系统的安全性。

2.7 预制舱电磁屏蔽

(1)预制舱舱体侧壁、顶板采用全焊接结构，底部铺设防静电地板，形成可靠的六面屏蔽体;电缆进线口缝隙使用导电泡棉封堵，形成整体屏蔽;舱体进出风口装金属网，保证开孔屏蔽性能。

(2)预制舱内沿屏(柜)布置方向敷设专用接地铜排，每面屏体都应设置接地点，并首末端联接后构成室内等电位接地网。预制舱及其内部设备在变电站内完成工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地。

2.8 预制舱屏柜布置方案

预制舱内屏柜布置分为单列布置和双列布置，其中双列布置分为摇架式机柜双列布置、前接线式双列布置、双列布置侧开门(装置背板朝外)，各有优缺点。

(1)屏柜单列布置。预制舱内沿长度方向布置1 列柜体，采用并柜联接，其中，屏柜距预制舱背面距离为600 mm，作为维护通道，屏柜距预制舱前侧距离大约为1 100 mm，用于调试、操作，预制舱柜体单列布置见图7。

图7 预制舱柜体单列布置Fig.7 Single row layout of precast chamber

屏柜单列布置的优点是舱内柜体可采用传统设计，运维通道空间大，便于运维;缺点是不能有效利用舱体空间，舱内可安装的柜体数量少，不适用于柜体数量多的场合。

(2)摇架式屏柜双列布置。摇架式机柜通过把二次设备布置于机柜门上，解决机柜单侧开门所带来的背面接线困难的问题，主要应用于只有一侧开门的机柜上。

在智能变电站中，装置的输入输出主要采用光纤。摇架式屏柜柜门的每一次开关对光缆和接头都有牵拉作用，影响光纤寿命和连接点牢固度，因此国内智能站较少采用前开门屏柜方案，缺乏运行经验。

(3)前接线式屏柜双列布置。二次设备前接线的方案是指舱体内屏柜采用双列靠墙布置，屏体在预制舱内侧开门，设备接线、液晶显示及按键操作都在预制舱的内侧。该方案可充分利用预制舱的空间，实现单舱体安装设备数量的最大化，很好地解决了舱内屏体数量与运维空间的矛盾，预制舱柜体双列布置如图8 所示。

本方案主要基于以下原则:

1)液晶控制面板作为装置的管理终端应与装置一一对应，并由单独的电源模块供电，满足二次设备在电磁兼容方面的技术要求;

2)液晶面板及指示灯的显示应直观可视，满足运行人员对二次设备巡视要求;

3)液晶面板操作及装置接线应便于操作和维护，满足调试检修人员对二次设备维护及操作的要求;

4)液晶控制面板与装置连接应可靠牢固。

图8 预制舱柜体双列布置Fig.8 Double row layout of precast chamber

(4)双列布置侧开门。舱内屏柜采用普通规格，取消后门，机柜后部靠近舱体侧壁，后方敞开，维护时打开舱体侧门进行操作。其优点是装置的安装组屏方式与现有习惯一致，机柜总体设计布线方式与现有产品一致;现有保护及测控装置可继续使用，无须调整(见图9)。

图9 双列布置侧开门Fig.9 Double row layout and side door of precast chamber

综合考虑技术可靠性和先进性，重庆220 kV 大石变电站预制舱采用了前接线式屏柜双列布置和双列布置侧开门相结合的方式，为优化预制舱内屏柜布置方案提供了实践经验。

2.9 预制舱技术优点

针对不同的使用要求，预制舱有各种形式，但就其产生的功用和对就地化二次设备的工作环境的保护而言，具备以下优点:

(1)预制舱实现了“工厂化加工、装配式建设”，减少了现场二次接线、调试、施工工作量，推进了现场机械化施工，缩短建设周期，提高了智能变电站建设效率。

(2)预制舱减少外部自然环境、机械环境对就地化二次设备的影响，具备良好的电磁屏蔽能力和接地性能，为就地化二次设备提供一个能够正常工作的环境条件。

(3)预制舱为运维人员创造了一个良好的工作环境，有利于雨雪等恶劣天气下对户外设备进行维护。

3 结 论

本文总结了近年来智能变电站二次设备就地化防护技术现状，研究了温度、湿度、电磁干扰等对二次设备的干扰机制，综合考虑可靠性和经济性，提出了一种预制舱防护技术方案。通过研究得到以下结论:

(1)预制舱防护技术方案的应用将进一步推进智能变电站“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的目标，具有结构紧凑、经济性高、防护好、可厂内预制生产、施工周期短等特点;

(2)预制舱防护技术方案有效提高了智能变电站建设效率，降低了智能变电站建筑面积、工期、投资等指标，具备推广应用的价值。

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