基于双判据的开关柜风冷系统研究

李新海，孟晨旭，卢泳茵，陈伟明，罗海鑫，范德和

(广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400)

0 引言

10 kV配电网位于电力系统的末端[1]，直接与用户相连，是输配电的重要环节。为适应用电负荷的快速增长，变电站及配电网中的10 kV大电流开关柜均采用额定电流为4 000 A及以上的开关柜以提高线路的载流能力及供电水平，满足用户对供电可靠性的更高要求[2]。然而，在长期运行过程中，由于10 kV大电流开关柜中隔离刀闸触头、小车开关触头、母线排、电缆头等连接部位表面氧化腐蚀、导电部分紧固螺栓松动等因素，各连接部位接触电阻增大，从而导致开关柜发热[3-8]。随着电流的增加，10 kV大电流开关柜的异常发热问题愈加严峻，若开关柜长期严重发热，将有可能导致连接部件烧蚀并引发短路故障，造成设备故障、线路停电、人身伤亡等事故，威胁电力系统的安全稳定运行及运维人员的人身安全[9-12]。

因此，在运行过程中有必要将10 kV开关柜内的温升控制在合理范围。近年来，研究人员对开关柜的温度进行仿真计算及趋势分析[13-15]，为开关柜的散热分析提供了有力依据。针对10 kV开关柜的温度检测和控制，常采用示温蜡片监视[16]、手持红外测温[17]、有源传感器在线测温[18-20]及无源无线式测温技术[21]等，在开关柜温度异常过热或温升过高时安排检修，以实现有效监控。采用此类手段可对开关柜内温升进行定期或在线实时监控，从而更加清晰地了解柜内设备发热情况，并对开关柜散热风机启动提供一定的判断依据。

目前，10 kV大电流开关柜通常采用风机强制对流散热方式控制柜内温度。开关柜中风机的启停一般根据开关柜实际运行电流的大小或环境温度的高低进行控制，但该方式存在判据唯一、缺乏综合判断等问题，当唯一条件失效时，无法对10 kV大电流开关柜的降温需求进行综合判断，导致无法有效排出开关柜内的热量[22]，使开关柜主回路温度显著增加。当开关柜风机系统故障时，开关柜载流能力大幅下降，可能引起设备损坏，甚至发生短路爆炸、10 kV母线失压、配电系统大面积停电的电力安全事件，带来重大经济损失和不良社会影响。据统计，近三年来中山市电网年均发生27项开关柜风冷控制系统缺陷，存在极大安全隐患。此外，现有的开关柜风机控制回路还存在电流继电器启停风机定值需手动调整而难以精确整定、电流继电器及接触器故障率高、缺乏故障告警功能等问题。

针对上述问题，基于电流与温度双判据逻辑，对10 kV大电流开关柜风冷控制系统逻辑进行改进，同时采用微机控制技术，实现电流与温度启停风机的双判据逻辑控制及完善故障告警功能。

1 风冷控制系统原理及问题分析

现有开关柜风冷控制系统由电源、DL型电磁式过电流继电器、接触器、风机组成，如图1所示。

图1 开关柜风冷控制系统风机控制回路

图1中可知，风机由切换开关ZK切换选择手动、自动两种启动控制方式。若选择风机手动启动控制方式，则切换开关13-14接点接通启动风机，此方式一般在人工检测发现异常过热或温升过高时手动选择，风机的启停均需手动操作。

一般情况下，开关柜选用风机自动启动控制方式，此时切换开关接点11-12接通，当开关柜内实际负荷电流大于或等于电流继电器LJ的动作定值时，LJ动作，其常开接点1-3闭合使交流接触器CJ励磁动作，风机回路中CJ常开接点3-4闭合，风机启动。当负荷电流小于LJ返回定值时，接点1-3 (LJ)、3-4 (CJ)依次断开，风机断电停运。

由于电流继电器返回系数一般整定在0.9左右，其动作定值与返回定值差距不大，且长时间运行老化后可能导致返回系数变大使得动作定值与返回定值的区间变窄。当负荷电流在电流继电器动作定值与返回定值之间频繁临界波动时，电流继电器、交流接触器将频繁动作与复归，风机频繁启停，容易烧蚀损坏电流继电器、交流接触器接点及风机。一旦出现部件损坏，风机自动启动功能失效，且由于风机控制回路缺乏温控功能，即使开关柜内温度较高风机仍不能自动运转，若此时无有效且及时的测温手段，将给开关柜的安全稳定运行带来巨大的安全风险。

此外，现有开关柜风冷控制系统在发生风机故障、电源失电或继电器接点损坏、接触器接点损坏等缺陷时无相应的告警信号上传调度监控，缺乏全面的故障在线监测、告警功能，运行人员不能实时掌握系统的详细状况并响应。

针对开关设备的温升控制，文献[23]根据运行电流的大小和环境温度的高低设计了风机控制方案。除电流、温度启动外，该方案还可实现小电流延时、低温延时停风机功能及风机回路故障报警功能。然而，该方案未考虑风机在停止运转后短时内再启动的问题，且控制回路仍存在继电器易损坏、故障率高的问题。文献[24]对风机运行控制提出3点要求：保证风机在电流达到启动电流时启动、风机发生故障时及时报警、避免风机频繁启动。但分析可知，对风机控制除以上要求外，还需增加温度控制启动功能，以保证电流或温度控制条件任一失效时，仍具备风机自动启动功能。同时，所提出的要求并不能有效避免继电器接点故障率高的问题，且继电器启停定值需手动调整，难以精确整定。

因此，通过新型10 kV大电流开关柜微机风冷控制系统(简称微机风冷控制系统)的研制以解决上述问题。该系统采用微机及可控硅调速技术，利用电流和温度双判据自动控制风机启停，实现风机精准启停、转速控制功能，避免了风机频繁启停，还可实现异常状况在线监测、告警功能，确保开关柜安全可靠运行，提高设备可靠性。

2 微机风冷控制系统策略

2.1 风机启动控制策略

微机风冷控制系统采用双判据设计，以开关柜内各相负荷电流大小及温度高低作为风机启停条件，可按需要精确整定负荷电流或柜内温度启动、停止风机的动作定值，同时在风机启停逻辑中增加风机启动、停止保持时间定值，避免风机短时间内频繁启停。

微机风冷控制系统风机启动逻辑见图2。若投入风机手动启动功能，则系统立即启动风机；若投入风机自动控制功能，当系统检测到风机停止时间ttz大于系统设定的风机停止保持时间定值ttzbc时，只要满足“开关柜任一相负荷电流值大于风机启动负荷电流定值Iqd”或“开关柜三相负载电路任一相实际温度值大于风机启动温度定值Tqd”，系统启动风机降温。其中，开关柜三相负载电路实际温度值为柜内温度传感器所测得的各相负载电路温度，温度传感器可按设计布置到开关柜内需测温的设备上，实现关键点的温度采集。

图2 风机启动逻辑

2.2 风机停止控制策略

风机停止逻辑见图3。在风机运转过程中，若投入风机手动停止功能，则系统立即断开电源，风机停止；若投入风机自动控制功能，当系统检测到风机运转时间tyz大于系统设定的风机运转保持时间定值tyzbc时，则系统在满足“开关柜三相负荷电流值均不大于风机停止负荷电流定值Itz”且“开关柜三相负载电路三相的实际温度值均不大于风机停止温度定值Ttz”，风机停止。

图3 风机停止逻辑

为避免由于风机电源回路电流过大造成温度升高、风机烧毁等情况，系统新增风机过电流保护功能，即风机三相电源电路中任意一相的实际电流值大于系统设定的风机停止工作电流定值Ifjtz，则系统立即断开风机电源，避免风机烧毁而影响风冷控制系统及开关柜设备安全运行。

3 微机风冷控制系统关键技术

3.1 信息交互技术

系统的硬件主要包括控制器、开关柜电流检测模块、开关柜温度检测模块、可控硅控制模块、风机电流检测模块和风机等，其数据交互见图4。开关柜电流检测模块、温度检测模块和风机电流检测模块分别用于测量开关柜三相负载电路的实际电流值、实际温度值及风机三相电源电路的实际电流值。三个模块均与控制器相连，可将采集的电流及温度数据传送至控制器。控制器作为微机风冷控制系统的数据处理、逻辑比较、集中控制单元，用于控制风机的启动、停止、调速和故障告警。根据10 kV大电流开关柜的发热和温升情况，可精确设置风机启停的电流定值、温度定值等，解决常规风机启停控制回路中手动调整电流继电器造成定值设置不准确或人机功效差的问题。

图4 控制系统数据交互

3.2 数据采集技术

以A相为例，系统负荷电流采样回路原理见图5，主要包括电流传感器L1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3和计量芯片U1，电流传感器L1接于开关柜A相负载电路，负荷二次电流输入后经计量芯片U1输出对应支路电流数据至控制器串口。

图5 开关A相负荷电流采样回路

系统温度检测回路原理见图6，主要包括温度传感器T1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C4、电容C5和放大器U2A。温度传感器T1可布置在开关柜不同腔体不同部位，用于检测开关柜三相负载电路任意一相的实际温度值，测量值经过放大器后传送至控制器ADC端口。

图6 温度检测回路

以U相为例，系统风机电流采样回路原理见图7，主要包括电流传感器L2、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C6、电容C7、电容C8和计量芯片U3。风机电源电路电流经电流传感器L2采样后通过计量芯片U3输出对应支路电流数据至控制器串口。

图7 风机U相电流采样回路

开关柜负荷电流采样回路、温度检测回路及风机电流采样回路均为单相检测回路。考虑三相负荷不平衡或因设备老化等原因造成开关柜内三相发热不均衡的情况，电流检测模块需按一相一检测进行配置，温度检测模块和风机电流检测模块则按设计检测点数配置，以提供可靠的采样数据。

3.3 可控硅调速技术

风机控制回路接触器接点经多次启动后容易烧蚀损坏，降低了风机控制回路运行可靠性。为此，微机风冷控制系统取消了通过接触器接点控制风机启停的设计，采用可控硅调速技术控制风机启停和转速，其原理见图8。该回路主要包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电容C9、二极管D1、可控硅Q1、三极管Q2、光耦芯片U4、光耦芯片U5和保险管F1。

图8 可控硅调速控制回路

在对风机启停和转速进行控制时，控制器输出控制命令到PWM端口，通过改变可控硅导通角α的方法来改变风机端电压的波形，从而改变风机端电压的有效值，达到风机调速目的，即当α为0°时，可控硅处非导通状态，风机端电压有效值为0，风机停止运转；当α为180°时，可控硅处全导通状态，风机端电压波形为正弦波，有效值最大，风机按额定转速运转；当α为0～180°区间时，可控硅处非全导通状态，风机端电压有效值随着α增大而增大，风机转速也随之增大。同时，可控硅控制模块内部的控制程序可根据开关柜内所配置风机的数量进行转速自适应调整，从而统一调控柜内多个风机的散热功效。

通过采用可控硅调速技术，系统可实现低速启动风机及根据开关柜负荷电流值、温度值调节风机运转速度的功能，降低了启动时对风机的冲击效应，为风机运转速度调节策略提供了技术支撑。

3.4 故障告警技术

系统可自检电源失电、控制器故障、可控硅故障、风机故障等异常情况并输出合并故障告警。如图9所示，系统故障告警采用硬接点输出，主要包括电阻R24、电阻R25、电阻R26、二极管D2、三极管Q3、输出继电器K1，P1。控制器自检到系统异常时，输出信号到Ctrl端口，通过Q3控制K1通断，最后通过P1外接端口输出合并故障信号。

图9 微机风冷控制系统故障告警回路

4 结束语

针对变电站10 kV大电流开关柜内风机启动判据单一、电流继电器及接触器接点故障率高、缺乏故障告警等问题，基于双判据设计，研制了新型开关柜微机风冷控制系统。该系统使用开关柜三相负荷电流和温度作为判据，实现风机启停控制、转速控制及系统异常状况的监测与告警功能，有效降低了风机故障导致开关柜发热、设备损坏的风险，提升了10 kV大电流开关柜运行的安全稳定性与风冷设备工作的可靠性。新型开关柜微机风冷控制系统于2020年12月在中山供电局某变电站进行应用，运行效果良好，为开关柜风冷系统设计提供参考。