智能变电站户外智能控制柜微环境控制系统运行分析

王成智，汪 洋，杜镇安，叶庞琪，肖 繁,陈 可

（1.国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；3.国网荆门供电公司，湖北 荆门 448000）

0 引言

智能变电站普遍采用过程层设备就地布置的形式，合并单元、智能终端以及在线监测装置安装于户外智能控制柜中，面临高温度、高湿度、强电磁干扰等恶劣运行环境的挑战[1-2]。温湿度控制系统负责调节智能控制柜内环境温度和湿度，是改善户外智能设备运行环境的技术手段，其运行状况对智能变电站安全运行有重大影响。近年来，湖北省相继发生数起因智能汇控柜环境控制系统设备故障导致的二次设备损毁和一次设备强迫停运事件，该类设备的选型设计、运维管理等工作得到了各级管理和技术人员的高度重视。本文分析了内部环境对智能控制柜的运行影响，对比分析了常见环境控制方式的基本原理和优缺点，列出了现行制度和标准对环境控制的要求，调研分析了省内智能汇控柜的环境控制系统配置情况，指出了运行中存在的主要问题，提出了改进措施，对于提升智能汇控柜的运行安全稳定性具有一定的指导和借鉴意义。

1 智能控制柜微环境影响分析

智能控制柜微环境对二次设备作用的因素主要有高温、低温、湿度、气压等，其中对电气元器件可靠性影响最为显著的环境因素是高温、高低温变化、湿热。高温应力能使产品材料的结构、物理性质、电性能发生很大的变化，从而导致暂时或永久性损伤或失效。户外二次设备多采用“开关电源+印制电路板”的设备形式，广泛使用了电解电容、功率场效应管、二极管、磁性元件、芯片的基本元器件。在这些基本元器件中，电解电容是不可或缺的组成部分；随着电解电容温度的升高，其寿命将以指数形式呈现明显衰减趋势[3]。高低温变化对电子产品也会产生一定影响，由于温度涨落，在产品内部结构中产生循环应力应变，由此导致弯曲变形、裂纹或断裂热疲劳失效。湿度过大，大气中的氧、二氧化碳等气体或尘埃、盐分等杂质的污染，会加剧产品的电化学腐蚀，且可能出现凝露现象，影响设备寿命。

根据调研结果，220 kV枣山变、110 kV高城变曾发生过因控制柜柜内温度过高而导致的合并单元/智能终端损坏事件，一次设备受此影响发生非计划停运；220 kV月陂、枣山变电站曾发生因温度过高，导致的智能终端GOOSE断链的事件，打开柜门通风散热处理后，装置恢复正常。高温天气，太阳直射导致智能控制柜面板发烫，长期的高温易导致部分柜内塑料材料老化，多地智能控制柜的端子排、硬压板、操作把手等塑料件发生脆裂。

2 相关标准与制度对温湿度要求

为了保障智能控制柜内设备在一定周期内运行正常，行业、企业相关标准和部分管理制度对智能控制柜的温湿度控制均有要求，具体要求见表1。

表1 温湿度的控制要求Tab.1 Temperature and humidity control requirements

3 户外智能控制柜温湿度控制方式

3.1 风机型户外智能控制柜

风机型户外智能控制柜采用风扇冷却方式，内部装有风扇、加热器等主要部件，降温依靠风扇。通过风扇进行主动换气，实现柜内外空气的对流，将室内热空气排到室外，同时将室外的冷空气抽入室内，实现柜内热量的转移。由于热空气集中在柜体上部，因此当风扇安装于智能控制柜底部时，应向柜内送气；当风扇安装于智能控制柜顶部时，应从柜内抽气。虽然风扇通风冷却技术采用风扇对柜内空气进行主动换气，但是其热量的传输方向依然是从温度较高的柜内空气向温度较低的柜外空气传递。根据这个传递的方向，风扇通风冷却方式属于被动式热传输。风扇通风加快了这个被动式热传输的过程，但不能使得柜内空气温度低于柜外空气温度。

风机型户外智能控制柜优点是风机结构简单，体积小，安装、维护方便；能耗低；一次性投入成本低。缺点是:（1）受户外气温影响较大，属于被动冷却，夏季高温可能会导致户外柜内部气温过高，一般柜内的气温会比柜外气温高出10℃；（2）风机散热的户外柜是一个开放的结构，需要和外界进行气体交换，防护等级低，灰尘、湿气及腐蚀性气体进入机柜内部，容易积聚粉尘等污垢，并污染、腐蚀柜内的元器件。因此，需要在进风口和出风口安装过滤棉，而过滤棉需要定期的更换。一般来说，粉尘较多的地区不适合使用。

3.2 热交换器型户外智能控制柜

热交换器型户外智能控制柜采用热交换器冷却方式，内部装有加热器、风扇和散热片等主要部件，降温依靠风扇和散热片。整个空气的循环过程分为内循环和外循环，柜内空气在热交换器中的循环过程称为内循环，柜外空气在热交换器中的循环过程称为外循环。内循环和外循环的空气100%隔离。不同温度的内循环空气和外循环空气在各自风扇的驱动下利用由金属材料制成的散热片进行热量交换，将热量从温度较高的柜内空气传递给温度较低的柜外温度。根据这个热量传递的方向，热交换器冷却方式属于被动式热传输。热交换器利用风扇和散热片加快了这个被动式热传输的过程，但不能使得柜内空气温度低于柜外空气温度。柜内和柜外的空气在100%隔离状况下，以柜外的气体作为冷源通过换热器芯体将柜内的热量换到柜外，完成对柜内气温的控制。

热交换器型户外智能控制柜优点：（1）能耗较低，一般是风扇直通风的1.5～2倍；（2）防护等级高，内外完全隔离柜内的空气质量好，基本排除了灰尘对柜内可能产生的污染。缺点是：（1）由于热交换器的本质是被动式热传输，其冷却效果也受柜体外部环境的影响，控制独立性较差。夏天环境温度过高时，将导致柜内温度过高。柜内气温通常高于环境温度10℃，当环境温度较高时，柜内温度可能会超过55℃；（2）热交换器的散热片需要定期的维护，否则随着灰尘的积聚会导致换热能力下降，可能造成隐患。

3.3 空调型户外智能控制柜

空调型户外智能控制柜进行制冷运行时，来自柜内机蒸发器的低压、低温制冷剂气体被压缩机吸入压缩成高压高温气体，排入柜外机冷凝器，通过风扇的作用，与室外的空气进行热交换而成为中温中压的制冷剂液体，经过毛细管的节流降压、降温后进入蒸发器，在室内机的风扇作用下，与室内需调节的空气进行热交换而成为低压低温的制冷剂气体，如此周而复始地循环而达到制冷的目的[4-8]。

压缩机将气态的氟利昂压缩为高温高压的液态氟利昂，然后送到冷凝器,散热后成为常温高压的液态氟利昂。液态的氟利昂经毛细管，进入蒸发器（例如，民用空调的室内机），空间突然增大，压力减小，液态的氟利昂就会汽化，变成气态低温的氟利昂，从而吸收大量的热量，蒸发器就会变冷。室内机的风扇将室内的空气从蒸发器中吹过，由于蒸发器的温度低于室内空气温度，从而热量从室内空气传递到蒸发器中的氟利昂，最后室内机吹出来的就是冷风。然后气态的氟利昂回到压缩机继续压缩，继续循环。空调制热的时候有一个叫四通阀的部件，使氟利昂在冷凝器与蒸发器的流动方向与制冷时相反，热量传输的过程也相反，所以制热的时候室外吹的是冷风，室内机吹的是热风。

空调型户外智能控制柜优点：（1）制冷效果好，采用主动式热传输技术，空调冷却方式对柜内温度控制不依赖柜外环境，控制独立性强，可以实现柜内空气温度低于柜外温度；（2）防护等级高，能阻止灰尘、湿气及腐蚀性气体进入机柜内部。缺点：（1）能耗一般较高；（2）温度降低导致柜内空气相对湿度上升，需采取更多的湿度控制措施。

4 省内智能控制柜环境控制系统情况

4.1 户外智能控制柜环境控制系统配置情况

截至2016年6月，全省智能控制柜采取的环境控制方式具体情况如表2所示：

表2 湖北电网户外智能控制柜微环境控制方式Tab.2 Hubei power grid outdoor intelligent control cabinet microenvironmental control mode

由表2可知湖北电网内220 kV及以上电压等级智能变电站全部采用热交换器冷却方式或空调冷却方式，风扇冷却方式仅存在于110 kV智能变电站。其中，500 kV户外智能变电站的两个电压等级的智能控制柜中，热交换器冷却方式占87.5%，空调冷却方式占12.5%；220 kV户外智能变电站的两个电压等级的智能控制柜中，热交换器冷却方式占76.3%，空调冷却方式占23.7%；110 kV户外智能变电站中，风扇冷却方式占5.7%，热交换器冷却方式占76.6%，空调冷却方式占17.8%。

4.2 户外智能控制柜环境控制系统存在的运行问题

根据2016年6月，全省智能控制柜环境控制系统运行情况来看，主要存在以下4个方面的问题：

（1）部分环境控制系统温度控制效果不佳

黄石王家坳、南湖、太子变电站110 kV变电站智能控制柜采用风扇冷却方式，室外温度40℃，智能控制柜内温度可达50℃。宜昌远安变电站智能控制柜采用热交换器，测量舱内温度常常达到50℃。黄冈220 kV亮城变智能控制柜内夏季温度超50℃，设备运行环境不良。

（2）环境控制系统自身故障频发

温湿度控制系统易发风扇电机、温控装置/温控芯片、控制主板、温度探头等故障或损坏，导致温湿度控制系统常出现死机、故障报警、环境调节效果不理想等问题，部分设备可能发生自燃或损毁，严重情况下可能造成一次设备受累停运，故障缺陷在省内各单位不同程度存在，增加了智能站运维工作量。220 kV熊家嘴变电站GIS汇控柜内温湿度控制器塑料部分全部烧熔，导致一次设备强迫停运。

（3）温湿度控制系统运行状态未全面监控

经调研，湖北省内26.2%的220 kV智能变电站和37.7%的110 kV智能变电站监控后台无温湿度监测数据显示，即使在后台显示数据有数据显示，也存在与实测数据差异较大的问题，大部分无法记录历史运行数据，设备状态监控主要依赖于运行巡视，导致设备故障缺陷难以及时发现，也不便于运行分析。

（4）温湿度控制系统运维存在薄弱环节

湖北省内智能控制柜温湿度控制系统的设置基本依赖于厂家，运维人员对设置项目、设置定值、设置方法不够熟悉，存在因设置不当而导致系统频繁告警、运行不正常的现象。500 kV仙女山变电站曾发生设置为“抽湿”模式导致柜内温度过高的问题。且运维人员对温湿度环境重视程度不够，缺陷未能及时消除，导致设备运行环境劣化，设备故障、缺陷记录信息不全，影响后续运行分析效果。

5 智能控制柜环境控制系统运行改进措施

5.1 加强设备运行情况比对分析

开展专题研究，对不同控制方式的控制效果进行数据比对分析，比较控制方式优缺点，提出综合控制策略；积累不同厂家设备运行数据，为全省智能控制柜微环境控制系统的设备选型提供依据。

5.2 强化设备信息上传

研究信息上传要素，提出便捷的实现方式，形成数据上传标准，便于设备运行状态比对分析，提前发现设备隐患缺陷。

5.3 提升设备运维水平

加强运维技术培训，确保运维人员熟练运用、维护系统；注重环境控制系统缺陷及时消缺，在夏季高温和冬季低温天气来临前，加强设备运行状态的巡视检查。

6 结语

通过分析智能控制柜环境控制系统的必要性和环境对二次设备的影响，对比分析了常见控制方式的基本原理和优缺点，列出了现行技术标准和管理文件要求，通过调研分析湖北省智能变电站控制柜的环境控制系统配置情况，指出当前该类控制柜主要存在温度控制效果不佳、环境控制系统自身故障频发、运行状态未全面监控、运维存在薄弱环节等4个方面的问题，提出了加强设备运行情况比对分析、强化信息上传、提升设备运行水平的改进措施，对于提升智能汇控柜的运行安全稳定性具有一定的指导和借鉴意义。