GRC复合材料预制式二次设备舱结构及仿真分析

2015-06-05顾锦书袁涤非俞春林包安群苏麟车勇单强

综合智慧能源 2015年4期

关键词：舱体热量复合材料

顾锦书，袁涤非，俞春林，包安群，苏麟，车勇，单强

（1.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211100；2.江苏省电力设计院，南京 211102；3.国网新疆电力公司，乌鲁木齐 830013）

GRC复合材料预制式二次设备舱结构及仿真分析

顾锦书1，袁涤非1，俞春林1，包安群1，苏麟2，车勇3，单强3

（1.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211100；2.江苏省电力设计院，南京 211102；3.国网新疆电力公司，乌鲁木齐 830013）

介绍了一种全新的玻璃纤维增强混凝土（GRC）复合材料预制式二次设备舱，对其结构形式和特点进行了分析，并根据仿真分析计算二次设备舱总发热量，得出该材料设备舱可适用于各种极端恶劣的气候地区的结论。

预制式二次设备舱；模块化建设；舱体；玻璃纤维增强混凝土

0 引言

2013年，国家电网公司提出并开展了智能变电站模块化建设［1］。预制式二次设备舱是户外智能变电站模块化建设的产物，舱内由二次设备、暖通、照明、消防、安防、图像监控等设备构成，由工厂完成生产、整体运输及安装，实现工厂加工、工厂调试。

玻璃纤维增强混凝土（GRC）复合材料已在建筑、化工等行业得到广泛应用，但2013年前尚无用于电力系统二次保护及自动化设备领域的先例。本文结合国内首个工程实例，研究GRC复合材料预制式二次设备舱的舱体结构特点并进行仿真分析。

1 预制式二次设备舱舱体研究

1.1 GRC材料概述

GRC是20世纪70年代国外发明的一种复合材料，在水泥、砂或其他填料基质中掺入各种形式的耐碱玻璃纤维制成，其综合了玻璃纤维的高抗张强度和水泥基质的高抗压强度［2］。GRC材料在美国、日本等多个国家被广泛应用，在建筑领域中占有特殊地位，具有高抗弯强度、高耐冲击性能、防火阻燃、抗腐蚀、防冻裂、防凝露、隔热保温、使用寿命长等特点。

1.2 预制式二次设备舱舱体结构

预制式二次设备舱体底座由槽钢整体焊接成型，舱体由舱壁、舱顶中的预埋件拼焊而成，如图1所示。舱壁和舱顶由GRC复合材料与保温材料浇注成型，舱壁结构如图2所示。

舱内屏柜按照国家电网公司相关规范双列或单

图1 舱体截面

列布置。屏柜与安装底座之间使用地脚螺栓固定，为保证屏柜在吊装及运输过程中的稳定性，屏柜顶部与舱内壁之间设计安装固定连接器，使整列屏柜与舱形成受力的刚体。屏柜下方设计线缆槽盒，舱内、外线缆通过双端预制的预制光缆和预制电缆进行快速连接，实现即插即用。为保证舱内的美观，同时降低线缆的损坏率，舱内辅助控制、插座等设备的线缆暗埋敷设于舱内顶部夹层及舱壁内的线管内。舱体排水管设计暗埋于舱壁之中，在舱体四角下方设计落水口。在舱内防静电地板下层，按屏柜布置的方向敷设截面积100mm2的专用铜排，将该专用铜排首、末端连接，形成舱内二次等电位接地网，屏柜内部接地铜排与二次等电位接地网连接。舱内二次等电位接地网采用4根以上截面积不小于50 mm2的铜带（缆）与舱外主地网一点连接。舱内还配备有摄像头、消防及温控系统等设备。

1.3 舱体工作环境

搭载二次保护及自动化设备的预制式二次设备舱主要应用于变电站户外环境当中，其所处环境具有以下特征。

（1）风沙及工业粉尘。风沙、灰尘和工业粉尘都是机械活性粒子，这些物质除了会使设备机械部分阻塞和磨蚀外，有些固体物质还会与空气、水分或其他物质发生化学反应，产生酸性或碱性腐蚀。

（2）雨水。预制舱舱体受雨水的侵蚀、浸泡，其表层防护材料会脱落，金属材质的舱体会锈蚀，严重时还会导致舱体穿孔，雨水进入设备内部，导致设备因短路而发生故障。

（3）凝露。在低温环境下，设备内部空气中含有的水分会在设备内部产生凝露现象，而凝露产生的水珠会对内部电气设备产生致命影响，一滴水珠就足以导致设备故障。

（4）高温及太阳辐照。夏季高温季节，尤其在华南地区和西北个别地域，气温会高达40℃以上，再加上太阳辐射，舱体直接受照部分温度会高达60℃。这部分热量会传导至舱体内部，引起内部高温，导致部分集成电路器件可靠性降低，甚至失效，从而使设备发生故障。

（5）低温。我国“三北”地区冬季温度会降至-40℃，而二次设备最低工作温度为-25℃，过低的温度会使半导体器件和晶体振荡器停止工作。

（6）人为破坏。现在智能变电站经常坐落在较偏远地区，且无人值守变电站越来越多，预制式二次设备舱要求能经受得住一定程度的人为破坏。

（7）腐蚀性大气。在沿海或大型矿山地区，大气中含有高腐蚀性的盐碱或酸性物质，长期处于此类大气环境中的舱体表面会积敷大量有害物质，产生腐蚀，带有腐蚀性的气体若进入设备内部会破坏芯片等电气元器件，使其可靠性降低，甚至失效。

1.4 二次设备舱的特点

使用GRC复合材料为基体的预制式二次设备舱具有以下特点。

（1）GRC复合材料的舱体具有较强的耐腐蚀、耐化学及抗渗透性能［3］，对酸、碱、盐及大部分有机物有较强的抵抗能力，此舱体尤其适用于沿海、多雨、潮湿、重化工污染等环境恶劣地区。

（2）GRC复合材料具有较强的耐久性［4］、抗风化性，经过加速老化试验推测，GRC的安全使用寿命至少为50年，此舱体完全满足国家电网公司对预制舱设计年限不小于40年的要求。

（3）GRC复合材料的舱体具有极好的亲水性、防潮性、阻燃性，舱体材料可吸收空气中的水蒸气，使水蒸气不易在舱壁上附着，抑制了凝露的发生。

（4）GRC复合材料中的玻璃纤维可以有效解决水泥收缩产生的龟裂和热胀冷缩产生的舱体变形、裂缝问题，此舱体可以很好地适应于骤冷、骤热地区。

（5）GRC复合材料具有较好的耐高、低温性能及抗太阳辐射性能，结合舱壁夹层内的隔热保温材料，大大增强了舱体的保温隔热性能，综合仿真分析和实际应用经验，100mm的舱壁厚度即可满足舱内设备使用的环境要求，节省了舱内调试空间，舱壁结构如图2所示。同时，GRC复合材料还具有较好的耐候性，适用于不同气候的地区。

图2 舱壁结构

（6）GRC复合材料具有较强的抗拉强度、抗弯强度、耐冲击性，同等规格下，相对金属舱体，此种材料的舱体自重更有优势，具有较好的稳定性，可以抵抗12级风力、8级地震。

（7）GRC复合材料的舱体表面平整、光滑，易于喷涂，可满足用户不同的表面喷涂要求。而且此种舱体表面维护方便，可用水直接清洗，表面出现破损或划痕可直接进行修补，修补后无痕迹。

2 仿真分析

根据气候数据及舱内设备配置来预估整个设备舱的发热量，并根据该发热量选择散热主要设备，确认设备的制冷量，然后通过仿真手段验证发热量预估方法的准确性，并确认所选择的主要散热设备能否满足预先设定的控制目标。本文选取舱内满配设备后功耗最高、散热最为严酷的12 200mm×2 500 mm×3133mm舱形作研究分析。

2.1 预估高温条件下二次设备舱整体发热量

据资料记载，国内最高气温会达44℃左右，以下计算仿真均以此为基础。由于受太阳辐照影响，此极端高温条件下的户外设备在太阳直射外表面壳体时温度会高达60℃。结合仿真分析和工程实际应用经验，为留有一定的冗余量，算例假设太阳直射外舱体表面温度为65℃。国家电网公司预制舱规范要求舱内环境温度为18～25℃，算例假设舱内目

标控制温度为20℃。

2.1.1 传导至舱内的热量Q＝Sh（TW-Tf），（1）式中：Q为热流量；S为受辐照面舱体表面面积；h为表面传热系数；TW为舱体外表面温度；Tf舱内控制目标温度。

经相关计算可得h＝0.61W／（m2·K），由式（1）可得：受辐照顶面传至舱内热量QA＝837.2W，受辐照侧面传至舱内热量QB＝1038W，受辐照端面传至舱内热量QC＝210W；非辐照侧面传至舱内热量QD＝446.5W，非辐照端面传至舱内热量QE＝114.7W，地面传至舱内热量QF＝0W。

从而可得出各舱壁侧传至舱内的总热量Q1＝QA+QB+QC+QD+QE+QF＝2646.4W。

2.1.2 舱内主要设备散发出的热量

该型舱舱内按照满配可布置2×16面机柜，每面柜内设备3台装置，以每台功耗40W计算，则舱内主要设备散发出的热量Q2＝40×［（2×16）×3］＝3840（W）。

2.1.3 预估舱内其余辅控设施散发出的热量

预估舱内其余辅控设施散发出的热量 Q3＝150W。

2.1.4 二次设备舱总发热量

尺寸为12200mm×2500mm×3133mm的二次设备舱总发热量Q＝Q1+Q2+Q3＝6636.4W。

综合上述计算，考虑冗余设计，选择空调制冷量为10 kW（单台5 kW）。

2.2 仿真验证