二次设备预制舱毛细管式风道空调结合风机散热方案的研究

顾铭飞，袁涤非

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

二次设备预制舱毛细管式风道空调结合风机散热方案的研究

顾铭飞，袁涤非

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

变电站二次设备运行时对环境温度有一定要求，最佳运行温度在20.0～25.0 ℃。介绍了二次设备预制舱内散热器件的传统方案，指出其不足，提出了毛细管式散热风道，并将此毛细管风道方案应用于空调与风机联动的散热模式，该方案热平衡好，系统可靠性高，节能效果显著。

预制舱；毛细管式；散热风道；节能

0 引言

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[1-2]。变电站二次设备运行时对环境温度有一定要求，最佳运行温度为20.0～25.0 ℃。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分析，针对传统散热方案所存在热平衡差、制冷效率低的问题，提出毛细管式散热风道的解决方案。并将此风道方案应用于空调结合风机的散热模式，使用仿真加以验证。

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。预制舱通常配置2台工业空调，安装于预制舱的头尾两端面。预制舱通常在舱体头尾两端分别设置通风口，其中1个通风口配置过滤器和风机，另一端仅过滤器。但由于舱体狭长，空调在舱体两端，对舱体中部的温度调节能力不足，舱体中部以及机柜内的空气很难参与对流循环，舱内温度不均匀。传统方案2台空调必须同时作业，若有1台空调故障，舱体一端的温度容易失控。

2 毛细管式散热风道方案介绍

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[3]，二次设备舱型号分为I型、II型、III型，尺寸分别为6 200×2 800×3 133 mm，9 200×2 800×3 133 mm，12 200×2 800×3 133 mm(长×宽×高)。本文以II型舱为例，对此毛细管式风道、空调结合风机散热的方案进行阐述和验证。

2.1 原理阐述

将2台工业空调以及4个通风口均设置在舱体的一端墙面上。空调上面的2个通风口为进风口，底端2个通风口为出风口。方案外观如图1所示。

(1)设置隔断墙，将舱体分为设备舱和隔离小室2部分。在设备舱的2排机柜(架)顶部设置送风管道，每个机柜或机架单元下方设置出风口，隔离小室和风道如图2所示。

图1 方案外观

图2 隔离小室和风道

(2)在舱壁上的进风口和出风口处设置通风过滤器；在舱壁出风口安装出风法兰，连接到隔断墙；将空调的内循环的进风口通过法兰连接到隔断墙。所有的法兰均采用隔热保温材料包覆，进、出风口及送风风机如图3所示。

图3 进、出风口及送风风机

(3)在隔断墙上设置2个检修门，检修门分别正对空调，空调出风口法兰处设置通风滤网，检修门如图4所示。

图4 检修门

2.2 空调风道-内循环

当使用空调制冷时，预制舱的进风口和出风口均处于关闭状态，进、出风口风机均不工作。空调内出风口送出冷风，经过送风管道内的下(通)风口，穿过机柜内部，从机柜底部的通风口流向运维通道，最后从检修门上的通风口、经过进风口法兰，进入空调进风口，完成1次循环。由于2台空调风道相同，可根据实际降温需求，仅使用1台空调工作，另一台空调进入备用状态。

2.3 新风系统-外循环

当空调不工作时，开启预制舱的进风口和出风口，启动进、出口风机以及送风风机。此时舱体空气循环与外部环境连通，这是预制舱的新风系统，即外循环。舱外新鲜的冷空气从预制舱进风口进入隔离小室，经过送风管道、机柜、运维通道，最后由出风口送到舱外。

3 方案验证与温控思路

使用仿真软件Icepak对新方案散热的效果进行仿真[4-5]。为了建模与计算方便，以下仿真仅考虑舱外空气温度，未考虑太阳直射等其他天气因素。

3.1 空调制冷

加入社团的大学生一般都有着共同的目标和兴趣，他们自立意识、竞争意识、实践意识都普遍增强，能够积极参与各类社团活动。他们的社团领导人一般都是学习成绩优秀、组织能力较强、威信较高的学生，领导人具有扎实的群众基础，与社团成员目标一致。因此，社团经过一定时间的经营，文化底蕴深厚，成员们都比较自律，一届届很好的传承。

对实际舱体进行简化，并在Icepak中建模。以舱体左侧短墙底部中心为坐标原点，模型如图5所示。

图5 仿真模型

边界条件如下：舱外环境温度，40.0 ℃；舱壁厚度，100 mm；空调总制冷功率，7 000 W ；舱壁平均传热系数，0.40 W/(m2·K)[6]；空调送风口体积流量为1 m3/s；隔断墙和风道厚度50 mm，平均传热系数0.04 W/(m2·K)；舱内机柜总数19个，每个机柜的发热功率为150 W；送风风机选用离心风机，转速为2 100 r/min；静压为450 Pa；静压为0时，空气体积流量为8 m3/min。

根据上文设置的模型和边界条件，对舱体进行热学仿真，舱体中间切片的仿真温度云图如图6所示。

图6 环境温度为40.0 ℃时的切片温度云图

此时设备舱部分最低温度22.7 ℃，最高温度24.2 ℃，舱内舱内平均温度约23.0 ℃，最大温差不超过2.0 ℃，温度平衡效果十分理想。

3.2 风机散热

当空调不工作时，使用进、出口风机(新风系统)为预制舱散热。设置2台进口风机和2台出口风机的风速均为3 m/s 。室外环境温度15.0 ℃和21.0 ℃时，仅使用风机散热，仿真结果分别如图7和图8所示。

图7 环境温度为15.0 ℃时的切片温度云图

图8 环境温度为21.0 ℃时的切片温度云图

3.3 自然散热

使用同样的仿真方法，可以验证当舱外环境温度为8.0～15.0 ℃时，空调、风机均不工作，舱内设备发热从而自然达到热平衡状态，舱内温度可维持在18.0～25.0 ℃。

3.4 预制舱温度控制思路

通过仿真分析，在本文所描述散热方案和边界条件下，模拟预制舱温度控制，温度控制方案见表1。

表1 预制舱温控模拟方案

由于模型、材质等因素的理想化，模拟控制方案中的温度仅为理论数据，可为实际操作提供参考。在实际工程应用中，应在舱外和舱内合理分布数个温湿度传感器检测温度情况，可先根据模拟方案运行一段时间后，综合分析监测所得的舱内外温度数据，再对控制方案进行优化。

4 结束语

采用“毛细管”式的循环回路，使空调出风能够到达每一个机柜内部，热交换充分，温度调节能力强、速度快，达到稳态后舱内的温度平衡效果好。根据舱外环境温度变化，切换空调或风机作为散热器件，高效均衡、节能环保，并能延长空调使用年限。并且隔离室和设备舱的分离应用还有一定降噪效果。

在环境适宜地区(如江浙沪等)，使用本文所述方案，可以全年将设备舱内温度控制在18.0～25.0 ℃，为舱内的二次设备提供最佳的运行温度，延长设备寿命，保障电力系统的安全稳定运行。

[1]宋璇坤, 沈江, 李敬如, 等. 新一代智能变电站概念设计[J].电力建设，2013，34(6)：11-15.

[2]罗江怡. 智能变电站中预制舱式组合二次设备的运用[J].硅谷，2014(21)：100，106.

[3]预制舱式二次组合设备技术规范：Q/GDW 11157—2014[S].

[4]阮健. Ansys仿真技术在电子产品热设计中的应用[J].舰船电子对抗，2011，34(3)：114-116.

[5]孙艳. Icepak软件在加固计算机热设计中的应用[J].计算机技术与发展，2013，23(3)：215-217.

[6]陈则韶, 钱军, 叶一火. 复合材料等效导热系数的理论推算[J].中国科学技术大学学报，1992，22(4)：416-422.

(本文责编：刘炳锋)

2017-03-24；

2017-04-18

TK 224

A

1674-1951(2017)05-0027-03

顾铭飞(1987—)，男，江苏靖江人，助理工程师，从事电力系统电子设备结构设计研发方面的工作(E-mail:mingfei-gu@sac-china.com)。

袁涤非(1976—)，男，江苏南京人，工程师，工学硕士，从事电力系统电子设备结构设计研发方面的工作(E-mail:difei-yuan@sac-china.com)。