湖南地区户外智能控制柜环境控制研究

刘 雷，张 延

（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007）

0 引 言

近年来，智能变电站技术得到迅猛发展。智能变电站三层结构中的过程层（合并单元和智能终端等智能组件）作为传统一次设备与智能化二次设备的接口层[1]，是提高智能一次设备集成化、数字化程度的重要环节，提供良好的环境保障智能组件安全稳定运行也显得尤为重要。

湖南地区属亚热带季风湿润气候，四季分明，其特点是：春温多变，寒潮频繁；夏多暴雨，易遭洪涝，时有酸雨；秋常干旱，气候炎热；冬少严寒，间有冰冻。最高温度约42 ℃，最低约-10 ℃；平均湿度为76.6%，最大湿度为96.8%；最大一日降雨量为178.2 mm，平均降水量为1 275.6 mm；平均霜日数为14.6 d；中南部地区酸雨频率62.3%。

智能组件的工作温度为-25～+55 ℃，适宜温度为+15～+35 ℃；相对湿度≤80%；需防水、防凝露及防酸雨腐蚀。

智能控制柜作为智能组件的宿主设备，需提供高温、严寒、雨水、凝露及尘土等环境防护，以保障智能组件安全稳定运行。

本文研究了湖南地区户外恶劣的自然环境下，智能控制柜消除外界环境对智能设备带来的影响，对柜内运行环境实时监测和控制，保障智能设备正常运行的方案。

1 环境控制技术

智能变电站的智能组件主要依靠高精度的控制芯片和持续稳定运行的电路电子元器件。电子器件故障的主要原因为热疲劳、机械过应力、潮湿腐蚀及静电。图1为电子器件故障原因。

图1 电子器件故障原因

现场运行过程中，智能组件固定安装在户外智能控制柜内，受机械过应力的影响较小。但在户外高温和长时间强光照射的密封条件下，柜内设备的工作温度容易过高，从而影响智能设备的精确性和稳定性，可能发生误动和拒动的情况，导致电力事故。此外，低温和潮湿也同样影响智能设备正常有序工作。

1.1 温湿度控制柜技术

目前，户外智能控制柜温湿度控制技术主要包括集中式温湿度控制方式和分散式温湿度控制方式[2]。

1.1.1 集中式控制方式

该环境控制系统采用集中控制的方式，具体如下。（1）在站内场地集中放置一组空调主机（可按双重化考虑）；（2）空调主机连接多个主输送管道，该管道放置于电缆沟内；（3）各智能控制柜通过分支管道与主输送管道相连；（4）分支管道的智能控制柜侧管口设置密集型网罩，防止小动物等爬入，导致管道堵塞；（5）各智能控制柜顶设置通风阀。

1.1.2 分散式控制方式

（1）空调技术

图2为空调技术示意图。由图2可知，空调通过压缩制冷方式进行降温（蒸发器与柜内空气的热交换、冷凝器与柜外空气的热交换），使智能控制柜内温度保持在比较恒定的范围。

图2 空调技术示意图

该技术密封性能好，可有效防止尘土、潮湿气体及腐蚀性气体进入柜内。此外，空调还具备加热和除湿功能。

但空调具有一定损坏率，而且若空调发生故障，现场运维困难。同时，无冗余设计考虑，会导致智能控制柜温湿度控制系统失效。

（2）热交换技术

该技术是基于热传导原理，如图3所示。通过热交换器两侧的风扇加速空气流动，使热量由高温区域向低温区域传递，实现两侧的热量交换。

图3 热交换技术示意图

热交换介质两侧的空气互不接触，柜体设计为全封闭结构，能有效防止尘土、潮湿气体进入柜内，但该技术不能有效防止凝露。

（3）强迫风冷技术

该技术属于直接散热，即直接将柜内外空气互换，柜外冷空气输送至柜内，柜内热空气排出柜外。

强迫风冷技术结构较为简单、体积小、运维方便、功耗小且成本低。但该技术防尘土、潮湿气体及腐蚀性气体的能力较差。

1.2 柜体防护技术

户外智能控制柜柜体防护首先需满足强度要求，同时满足空调技术的温湿度控制方案密封性要求。

1.2.1 柜体结构设计

户外柜整体采用内、外双层结构设计一体式柜体，内柜、顶盖、底座、双层侧板及前后柜门采用拼装、焊接及铰接的形式。柜体采用优质304不锈钢材料可防酸雨，材料厚度不小于1.5 mm。立柱承重性强，框架刚性好，机柜强度高。柜体结构强度可承受至少12级风的破坏，同时也可承受至少8级地震破坏。柜体上部设置防雨帽顶，柜顶留有散热通道，如图4所示。柜体与门板接触的部位设置斜坡式导水槽。

图4 防雨帽示意图

1.2.2 柜体密封设计

前后门与门框之间均采用密封材料；柜体的主体和基座两节之间的接缝采用防水措施；柜底电缆、光缆的进出孔采用防火材料封堵的同时，采用塔形橡胶护线套，不同直径的圆形口可匹配相应尺寸的线缆，保证良好的密封性能。

2 湖南地区环境控制方案

跟踪已投运的智能变电站，采用红外测温发现智能控制柜内温度普遍较高，尤其是光纤接口处。湖南地区某变电站智能控制柜内智能装置背板发热点最高温度为57.9 ℃。

湖南地区户外智能控制柜需满足炎热、严寒、潮湿、凝露、尘土等恶劣环境的防护要求。根据工程运行经验发现，热交换和强迫风冷技术不能完全满足上述要求，建议湖南地区户外智能控制柜采用集中控制方式或分散式空调技术。

2.1 空调技术方案

湖南地区110 kV变电站典设方案中，一次规模多为4线2变；电气设备采用户外AIS方案时，110 kV部分和主变设备共占地面积约3 600 m2；电气设备采用户外GIS方案时，110 kV部分和主变设备共占地面积约2 000 m2；需采用智能控制柜11个。该规模采用集中控制方式施工较为复杂、成本较高，建议采用分散式空调技术[3]。

目前柜体尺寸较为多样，建议采用国网标准化尺寸的户外智能控制柜，具体形式如表1所示[4]。

智能控制柜建议设置1台空调，安装于柜体背门，如图5所示。经统计可知，柜内智能组件设备功耗约0.13 kW，而上述尺寸的柜体需考虑0.26 kW的功耗，因此0.39 kW以上的空调才能满足运行要求。为留有裕度，建议采用较为常用的0.5 kW空调。

图5 智能控制柜空调布置图

2.2 集中控制技术方案

该技术正在试行阶段，且现场施工相对较为复杂，目前暂未在湖南地区的工程中推广。但因运行维护更方便，可靠性更高，且成本更低（在规模较大的变电站中），建议在湖南地区工程中逐步推广使用。

220 kV变电站建设方案中，220 kV出线为4～6回，主变为3台，110 kV出线为8～12回；电气设备采用户外GIS方案时，220 kV、110 kV部分和主变设备共占地面积约7 000 m2；电气设备采用户外AIS方案时，220 kV、110 kV部分和主变设备共占地面积约12 000 m；需采用智能控制柜约27个。500 kV变电站户外配电装置各电压等级均设有智能控制柜，占地面积约30 000 m。上述规模场地较大、柜体数量较多，可采用集中控制技术。

目前柜体尺寸较为多样，建议采用国网标准化尺寸的户外智能控制柜，具体形式如表2所示。

建议220 kV AIS/GIS类型变电站采用25 kW容量的双重化主机（可根据主机位置以及主输风管道长度进行调整），500 kV变电站采用60 kW容量的双重化主机（可根据主机位置以及主输风管道长度设置多个主机），放置于站内靠近配电装置的合理位置，并设置遮阳（遮雨）棚。

主机采用防火材质的输风管道（布置在电缆沟内），将新风输送至各智能控制柜（底部开孔）。

表1 110 kV智能控制柜型号

表2 500kV/220kV智能控制柜型号

2.3 其他环境控制方案

本研究在上述两种环境控制技术方案的基础上，进一步提出了4种环境控制的方案。

（1）温湿度环境监测系统

空调技术和集中式控制技术均考虑温湿度环境监测系统，当柜内温度高于30 ℃时，系统将自启动空调；当柜内温度低于20 ℃时，系统将自关闭空调；当柜内温度低于10 ℃时，系统将自启动除湿加热装置或空调；相关信息上送至后台。同时，柜内安装温湿度显示仪，柜体前门采用局部玻璃材质，方便运行人员在就地运行检修时及时查看，如图6所示。

（2）微超压系统

针对除湿、防尘的问题，本方案提出采用微超压系统，如图7所示[5]。将经过滤、除水干燥的空气充入柜内，使智能控制柜内气压为1.05倍外部大气压，始终保持在微超压状态，从而迫使灰尘、潮气不能侵入到智能柜。该系统设置自动控制子系统，自动监测控制柜的气压值，当柜内气压低于设定压力值2 000 Pa时，自启动微超压系统；当柜内气压高于设定压力值5 000 Pa时，自关闭微超压系统；当气压控制开关拒动或高于设定压力值6 500 Pa时，自动开放出风阀，释放压力。

图6 智能控制柜正面图

图7 微超压系统

（3）自动除尘系统

空调技术和集中控制技术均存在使用时间较长后，过滤网灰尘堆积的现象。本研究提出空气滤网积尘的除尘设计，具体如下。第一，在滤网的指定位置，将由电源驱动的振动源所产生的振动作用在滤网上，提供振动源以一定的电力时，振动源驱动滤网产生振动。当滤网灰尘聚积到一定程度需除尘时，智能控制模块会接通滤网上的振动源的工作电源，振动源工作将聚积在滤网上的灰尘振落。第二，智能控制模块适时地控制风机以提供反向气流，将振落的灰尘吹离滤网，从而达到除尘效果。

（4）防火阀

针对集中控制方式防火性能低的弊端，建议在柜顶部出风阀装设筛网，网眼尺寸不大于2 mm×2 mm，金属丝的直径不应小于0.45 mm；另在柜底部通风管处装设防火阀，如图8所示，设定温度高于70 ℃时，关闭风道。

3 结 论

本文主要从户外智能控制柜温湿度控制和柜体设计两方面进行研究，旨在为湖南地区制定合理、统一的户外智能控制柜环境控制方案。文章分析了分散式温湿度控制方案、集中式温湿度控制方案、柜体结构设计方案及柜体密封设计方案，为今后智能控制柜环境控制方案设计提供了借鉴。