二次设备预制舱散热模式分析及控制策略研究

包安群，李 俊，袁涤非

（1.南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 211153；2.四川省电力公司经济技术研究院，四川 成都 610000）

二次设备预制舱散热模式分析及控制策略研究

包安群1，李 俊2，袁涤非1

（1.南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 211153；2.四川省电力公司经济技术研究院，四川 成都 610000）

文章介绍并分析二次设备预制舱内部以空调作为主要散热器件的散热方案，并指出其中的不足，提出了空调与风机联动的散热模式，充分利用自然条件，在高温时段以空调作为散热器件，保障散热效果，在非高温时段，以风机作为散热器件，降低能耗，2种散热器件互为备份，在节能环保的基础上，提升了系统的可靠性。对多设备协同工作的控制策略进行了研究，给出了不同外部环境下的针对性的控制方法，实现了二次设备预制舱内部的高可靠、低功耗散热。

二次设备预制舱；散热模式；空调风机联动；控制策略；高可靠；低功耗

二次设备预制舱利用“工厂化加工、模块化”建设的实施模式，可有效提高智能变电站二次设备的建设效率。预制舱作为二次设备的载体，需要为设备提供防护及良好的运行环境。由于二次设备运行时发热量较大，且预制舱为密闭腔体，散热是预制舱内部环境控制的关键因素。

本文就目前常用的预制舱散热方案进行了分析，针对以空调为主要散热器件所存在的能耗高、可靠性低的问题，提出了空调、风机结合，二者联动进行预制舱内部散热的工作模式，并形成与之相适应的控制策略。

1 二次设备预制舱常用散热模式简介

目前工程实施中，常用的预制舱散热方案多以空调作为主要的散热器件，通过压缩机和制冷剂的协同作用，可使舱内温度低于环境温度，实现内、外部温度逆差。但由于空调处于常年不间断工作状态，耗能较大，且一旦空调出现故障，预制舱内部温度将会迅速上升，导致设备故障，影响供电系统安全运行。同时，空调长期工作对设备使用寿命也有不利影响。这就要求设计一种新的二次设备预制舱散热模式，并形成与之相适应的控制策略。

本文在基于“低功耗、高可靠”这一核心目标的基础上，提出了空调、风机结合，2者联动进行预制舱内部散热的工作模式。由于夏季高温时间不超过全年的1/3的特点，在非高温时间，通过舱内风道的优化设计，利用风机制造舱体内、外部空气的流通，以对流的方式实现预制舱的散热，使空调的全年工作时间缩短2/3，实现了低功耗。同时，2种散热器件互为备份，提升了散热系统的可靠性。并且，空调工作时间的缩短，也间接延长了空调的使用年限。

2 二次设备预制舱内部散热模式简介

二次设备舱是户外智能变电站二次设备的结构载体。根据国家电网公司相关规范[2]，二次设备舱型号分为I型、II型、III型，尺寸分别为6 200 mm×2 800 mm×3 133 mm，9 200 mm× 2 800 mm×3 133 mm，12 200×2 800×3 133 mm（长×宽×高）。

为保障预制舱内设备正常运行，要求舱内温度为18～25℃，当温控设备出现局部故障时，舱内温度可短时控制于5～30℃范围。目前常用的散热器件有3种，分别为风机、热交换器、空调。风机的散热原理是通过内、外部空气的对流，将冷空气置换热空气，从而带走热量；热交换器的工作原理是内、外部的空气同时经过导热系数很高的换热区域，通过热传导效应，将热量由高温区向低温区传递；空调的工作原理是利用制冷剂相变时可传递热量的特点，通过压缩机使制冷剂在液态与气态直接转换，从而达到降低温度的作用。由3种散热器件的工作原理可知，只有空调可以实现内、外部温度逆差，即热量由低温区向高温区传递。

由于国内几乎所有地区夏季温度均超过25℃，加之舱内设备的发热，要使舱内温度低于外部环境温度，必须采用空调作为散热器件。为提高散热系统的可靠性，1台预制舱通常配置2台空调，一用一备。预制舱使用环境温度范围为-40～45℃，普通民用分体式空调无法在低温环境下正常工作及存储，因此，通常采用壁挂式工业空调。根据预制舱体积的不同，空调的制冷量也有所区别，如表1所示。

表1 预制舱空调制冷量配置表

以空调作为散热器件，具有散热效果好、设计方案简单的优点。但空调功耗较高，以III型预制舱中使用的制冷量5 000 kW的空调为例，其能效比约为2.2，则空调的功耗约为2 270 W。而III型预制舱在满配置的情况下可安装25面机柜，每面机柜平均安装2台二次设备，1台设备的平均发热功耗约为50 W，则舱内设备的总发热功耗约为2 500 W。通过计算机仿真分析，当处于密闭状态的III型预制舱处于工作状态时，如果空调不工作，则内外部温度差为10℃。如果要将舱内温度控制在25℃以下，则当外部环境温度高于15℃时，空调就应当处于工作状态。根据气象统计，气候条件相对温和的华东地区，全年平均气温超过15℃的时间约为200天，即预制舱内空调有200天处于工作状态，其一年的功耗累计超过20 000 kW·h。

并且，由于工业空调的工作原理，即使空调处于非工作状态，其风机也始终保持在通风状态，而风机的使用寿命决定着空调的使用寿命。因此，空调长期工作或待机，会缩短空调使用寿命，影响散热系统的可靠性。

3 空调与风机协同散热的方案

针对以空调作为唯一散热器件的散热方案的缺点，进行了相应的优化，提出了空调与风机协同工作的散热模式。

根据前文所述，可利用风机对舱内、外空气进行置换，达到传递热量的效果，从而使舱内、外温度差保持在相对温度的范围。设定舱内设备发热功耗2 500 W，内部环境温度25℃，舱壁传热系数为0.45 W/（m²·K）[3]，配置2台换气量为300 m3/h的风机，利用计算机软件仿真可得外部环境温度为20℃，即利用风机作为散热器件，在舱外环境温度处于20℃以下时，是可行的。

以风机作为散热器件，必然要在舱体上设置通风口，这需要解决散热与防护的矛盾。为防止灰尘进入舱内，并在风机不工作时保持舱体密封，可在通风口处设置过滤网，并安装自垂式百叶窗，如图1所示。

图1 自垂式百叶窗示意图

当风机不工作时，百叶窗在自身重力的作用下，处于下垂状态，自然将通风口关闭，保持舱体密闭。当风机工作时，由于风力的作用，推动百叶窗克服重力影响，达到开启状态，实现舱内外空气流通。

4 空调结合风机散热的控制策略

在由空调作为主要散热器件的散热方案中，对内部环境温度的控制主要依靠空调自身的控制逻辑，设定目标温度，由空调自带的控制系统完成温度控制，并将数据上传。此方案简单易行，但温度数据取自空调附近的温度，与舱内实际温度有一定的差异，控制精度较低，且无法与其他设备协同控制。

当采用空调与风机结合的散热模式时，为确保采集的温度数据与实际数据的一致性，可在舱内设置多个温度采样点，取其平均值作为参考数据。控制目标温度上限设置为25℃，温度回差为±3℃。当测得的舱内温度超过25℃时，首先启动风机，如果风机的散热效果可使舱内温度降至25℃以下，则保持风机运转，进行散热。如果舱内温度继续上升，超过目标温度3℃，即达到28℃时，关闭风机，启动空调制冷。当舱内温度下降至低于目标温度3℃，即22℃时，停止制冷。

5 结语

本文总结了二次设备预制舱内以空调作用主要散热器件的散热方案及其优缺点，提出了一种空调与风机结合，协同工作的二次设备舱散热模式，并制定了与设备特点相适应的控制策略。在不同的外部环境温度条件下，以不同的设备作为主要散热器件，利用风机功耗低的特点，实现节能环保、延长空调寿命的目标。同时，空调和风机互为备用，有效地提升了系统的可靠性。

[1]国家电网报.智能化：变电站建设新趋势[N].北京：国家电网报，2013-07-15（08）.

[2]林冶，林志和，尹元.国家电网公司企业标准Q/GDW 11157—2014预制舱式二次组合设备技术规范[Z].国家电网公司，2014（12）：1-20.

[3]顾理.浅谈金邦板的建筑节能及应用[J].建设科技，2008（18）：217-219.

Analysis and control strategy of the two equipment pre cooling system

Bao Anqun1, Li Jun2, Yuan Difei1
（1.Nanjing State Power South Power Grid Automation Co., Ltd., Nanjing 211153, China; 2.Economic Research Institute of Sichuan Province Electric Power Company, Chengdu 610000, China）

This article introduces and analyses the two internal cooling solution to air as the main equipment of prefabricated cabin cooling devices, and points out the limitations of the proposed cooling mode of joint air conditioning and fan, make full use of natural conditions in high temperature period to air as the cooling device, ensure the cooling effect, in the non high temperature period, with the wind as the cooling device, reduce energy consumption, 2 kinds of radiator pieces back up each other, based on energy conservation and environmental protection, enhance the reliability of the system. The control strategy of coordination equipment research, given the different external environment for the control method, realized two prefabricated high internal cabin equipment reliable , low power dissipation.

two equipment prefabricated module; cooling mode; air conditioning fan linkage; control strategy; high reliability; low power consumption

包安群（1963—），男，辽宁大连，高级工程师；研究方向：电力系统电子设备结构设计、研究、开发。