智能变电站二次设备就地化防护技术

陈文航

【摘 要】 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。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。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。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。

【关键词】 智能变电站；二次设备就地化；

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tM TTR。

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。（2）开关操作。变电站内断路器、隔離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。（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。（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。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。

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。

2.2预制舱尺寸

根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》，以下图3预制舱组成Fig.3 Composition of precast chamber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。

（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。

结束语：

智能变电站二次设备就地化满足“节材、节地、节能”等要求，是当前智能变电站建设的研究热点。为推广应用智能变电站二次设备就地化建设模式，总结了近年来二次设备就地化防护技术现状，分析温度、湿度、电磁干扰对二次设备的干扰机制；针对现有防护技术的不足之处，提出了一种预制舱防护方案，描述了舱内柜体单列和双列配置方法，具有布置紧凑、经济性好、防护效果明显、可厂内预制生产、建设周期短的特点，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。

参考文献：

[1]陈萍，张继军，郭文忠，等.数字化变电站保护下放问题探讨[J].电力系统保护与控制，2009，37（1）：98-100.

[2]苏国梁，庞春，赵春刚.500 kV变电所保护小室设计及抗干扰措施[J].中国电力，2003，36（12）：45-48.