变电站保护柜温湿度智能控制研究

国网陕西省电力公司铜川供电公司 纪 鹏 何志昊 魏 华 西安源创电气技术有限公司 王卫平

市场经济的越发活跃和经济水平的持续增长使得人们收入水平得以大幅度提升，物质生活品质得以提高，且越来越多的现代化电器产品涌入，对电力能源的需求急剧提升，这也为电力系统变配电的运行提出新的要求。在电力系统变配电当中，变电站继电保护是针对电力故障和异常状态进行检测的重要保障性设计，其能够在检测到故障或异常信号时发出报警信号，也可以直接进行故障部分的隔离，将故障部分与其它设备分离开，避免故障蔓延或影响其它设备运行。

另外，继电保护可以对正常运行中的电力系统设备与线路进行划定范围内的监测，针对是否发生异常运行或突发故障进行数据搜集后发出跳闸指令，并自动将信号发送至控制中心。相关技术人员可以根据通信传感设备、信息控制系统所发送数据进行处理分析，获取实际故障或异常状态信号，将信息技术与通信传感技术以及电力相关技术有机结合后形成现代智能化保护，这也是电力系统智能化概念的产生机理之一。通常情况下，电力系统设备由于高温、湿度过大而致使继电保护设备会对系统电压、电流异常状态做出快速反应，智能化的温湿度控制器可能对保护柜提供有效的保护，避免其受到二次设备硬件故障影响而对电网的运行安全带来威胁。

总之，随着电力系统覆盖范围的不断扩大，作为电力系统当中重要组成部分、变电站的运行环境也越来越复杂化。变电站主控室保护柜在长期运行过程中，柜内用于测量、控制、监视、保护、通讯等运行的继电保护装置繁多，且这些设备都需要24小时不间断运行，致使设备大量发热，导致运行环境温度过高，设备长时间工作于温湿度红线值，大大的影响其工作的稳定性、可靠性和安全性。为了电力系统的安全可靠运行，对于越来越多的无人值守变电站，研制一种能够进行温湿度智能控制，自动保证保护柜内二次设备正常运行的系统显得极其迫切。

1 变电站保护柜温湿度智能控制重要性

变电站主控室保护柜在长期运行过程中，柜内用于测量、控制、监视、保护、通讯等运行的继电保护装置繁多，且这些设备都需要24小时不间断运行。随着二次设备智能化水平的不断提高，设备信息交换量非常大，cpu负载率高，促使设备发热量大，而这些发热位置温度监测难度较高，难以保证实时监测效果，热量发散较为缓慢，始终处于高温下必然会容易使设备发生故障。

近些年来，变电站的继电保护柜由于温度过高而引发的事故数量不断增多，使得保护装置闭锁或大面积设备发生通讯中断故障，为电力企业带来不小的损失。为此，重点进行保护柜继电保护装置过热的故障问题是有效避免此类继电保护事故发生的关键。

从继电保护装置的功能角度来讲，其主要是针对电力系统当中所存在的异常状态或故障进行实时监测，并根据故障信息发出预警或直接进行故障和异常状态部分与主线路隔离，避免造成故障蔓延。

究其本质来讲，继电保护装置主要是针对电力系统中相关设备与线路，其能够进行一定范围内的故障状态进行监测，并发出跳闸指令与信号调整。

事实上，继电保护装置通过多年的应用和研究改进，其整体的性能和保护水平取得了不小的成果，而且也有着较为丰富的应用经验，为电力企业经济效益提供了有效的保障，而且也从整体上提高了电力系统运行的稳定性以及管理质量。在近年来信息技术智能化技术与自动化技术的快速进步和电力系统继电保护领域中的实际应用，通过控制原理和控制模式的融入，继电保护水平得到了大幅提升，使得变电站继电保护相关理论与技术水平都得到了很大的进步。由此来看，继电保护相关技术未来的发展必然会朝向智能化、网络化方向靠拢，并且集中计算机技术、网络技术、智能化技术、保护与控制以及测量数据、通信技术优势，实现一体化发展。

2 变电站保护柜温湿度智能控制工作原理

保护柜绝大多数采用封闭式结构、散热较慢，且长期在封闭、强磁场环境下运行，保护柜内各设备集成度非常高，各设备模块运行触点多。当温度过高、导致接触电阻超过国家标准规定的接触阻值，如此会加快触头表面氧化速度，当触头的温度超过极限值，就会致使内部材料机械强度减弱，甚至损坏[2]。

对于变电站保护柜温湿度智能控制设计，主要以《智能变电站智能控制柜技术规范》相关标准要求、针对当前变电站保护柜类型及其框架设计，以PLC可编程逻辑控制器，配备数字温湿度变送器、交流接触器、温湿度报警器、送风机构，利用PLC可编程控制器依据保护柜内部温湿度相关数据进行自动化控温与驱风[3]。

利用PLC可编程控制器进行温湿度控制器自动启动、关闭控制，其内部逻辑会控制加热器与送风机构的运行。其具体运行路线为：数字温湿度变送器——温湿度数据采集——PLC可编程控制器——交流接触器、温湿度报警器——加热器与送风机构——温湿度数据采集——PLC可编程控制器。

3 变电站保护柜温湿度智能控制方案实施

3.1 控制方案设计

在工作温度较高的保护柜内合适位置安装数字温湿度变送器，将各柜内实时温湿度数据通过温湿度变送器采集后，由485通信线统一送到温湿度控制系统的PLC通信端口。

由PLC将温湿度变送器采集来的实时温湿度数据与设定值（保证保护柜内设备正常运行的温湿度值）进行比较，当实时检测值高于设定值时，PLC控制继电器和交流接触器输出驱动温湿度报警器和送风机构工作，当保护柜内部温度大于温度上限设定值（本设计默认温度上限极限值为35℃），通过PLC可编程控制器启动送风机构，当保护柜内部温度下降至温度上限设定值-温度回差（设定为5℃）时，则送风机构关闭[4]。当保护柜内部温度下降至温度下限设定极限值（本设计设定为10℃）时，则柜内加热器启动，温度上升至温度下限极限值——温度回差后则加热器关闭。

对于除湿，其工作原理为通过柜内湿度检测，当保护柜内湿度超过湿度设定值（本设计设定为80%）、且柜内温度小于温度上限设定极限值-温度回差时，则进行送风机构与加热器的启动，当保护柜内部温度上升到温度上限设定极限值-温度回差、则加热器关闭，湿度小于湿度设定值-湿度回差则关闭送风机构。PLC控制报警装置和送风装置停止工作；保证保护柜内设备工作在规定温湿度范围内。

温湿度变送器采集到的是多个保护柜的温湿度实时数据，送到控制系统的PLC中，由PLC选择温湿度值最高的一组作为和设定值进行比较的数据。这样由多个保护柜中工作温度最高的温湿度数据触发报警和送风机构工作，保证了其他保护柜内设备肯定工作在低于设定值的温湿度范围[5]。

送风机构由恒温恒湿工业除湿机和相应的通风管道、通风接头、防护罩等组成。当控制系统触发除湿机工作时，即接通除湿机主电源，恒温恒湿除湿机的出风口将干燥的凉空气通过定制的出风孔送到通风管道中，通风管道可根据现场情况安装在主控室的电缆沟内。由通风管道将冷空气通过电缆沟送到各保护柜的内部，向柜内送冷空气，达到降低柜内温度的目的。

为了防止小动物进入管道，在伸到每个保护柜内的通风管端头处安装保护罩；为了使送到柜内的风量足够大，根据电缆沟的长度在通风管道中间可适当加装多个风量加速器；温湿度报警器安装在控制系统箱内，可发光发声；温湿度控制系统箱带触摸屏显示，可实时的将采集到的每个保护柜内部的温湿度数值显示在屏上。为数据上传到后台做好准备；系统供电为专用线路，从交流屏的备用电源接入。

3.2 结构与安装

采用温控风扇模式，其中温湿度控制系统主要运用的导轨式或嵌入式，传感器在采取导轨式，目的为节省智能保护柜内空间，可控制在90～130mm空间范围，风扇顶部安装、加热器底部或后方安装后可保证占用空间的合理性，此结构较为适用户外柜且尺寸无限制。

热交换器主要采用侧装，较为适用于通信机。此外还有门装方式，可分为内嵌与外挂两种，为保证符合变电站户外保护柜结构特点，门装式有着较好的适用性。由于内嵌式热交换器占据深度较大、约为150～210mm左右，可选择外挂式安装，而对于800mm深的保护柜则较为适合使用嵌入式方式安装，而由于热交换器的尺寸相对较大，通常指适用于高度不低于1500mm、深度不低于600mm、宽度高于800mm的户外保护柜。

此外，需配备接口与预警功能，对温控设备需注意设置丰富的专业温湿度控制器接口，接口可实现温湿度数据、定制参数、温湿度控制器运行状态等相关数据信息的搜集和传输，以便于控制中心对实时状态的监控。预警功能主要集中于传感器异常、CPU异常、加热器、送风机构等部分的状态监测，如发生故障可直接发出预警信号。送风机构接口较少，只配备数字接口，可实现温湿度的实施监测与数据传输，同时配备故障报警与失电报警接口，实现户外保护柜智能送风状态的监控。

4 变电站保护柜温湿度智能控制实测分析

在电力系统当中，保护柜的运行安全和可靠性极为重要，而变电站保护柜由于需要面对多种复杂环境，常会导致柜内温度过高而引起其他设备、元器件运行故障，尤其空气潮湿和温度升高会影响保护柜绝缘性能。特别南方地区，空气湿度较大，如果保护柜元器件受潮甚至发生结露情况，会致使元器件受损而引发保护柜安全故障，甚至导致更大的安全事故[6]。

为有效验证本文所提出变电站保护柜温湿度智能控制方案设计可行性和实际效果，笔者选取3个已经投入运行的变电站项目，变电站保护柜尺寸均为1500mm（高）×800mm（宽）×600mm（深），柜内包括2台智能终端，其热耗约为200W，温湿度控制模式设定中温度上限设定极限值为35℃，湿度上限设定极限值为80%。

温控模式：为实现保护柜内部运行环境内温、湿度相关数据采集，利用本设计方案中传感器对各保护柜设备温、湿度进行数据采集分析，上传至监控后台系统；送风机构：针对保护柜内部温湿度数据进行采集后传输监控后台，相关温湿度数据如图1所示。

图1 送风结构接收采集数据示意图

由图1数据得出，理想状态下，送风机构与集热器在保证保护柜内温湿度平衡性方面具有明显效果，内部温度均保持在允许正常值范围内。

5 变电站保护柜温湿度智能控制方案应用前景

变电站自动化系统广泛应用下，智能化变电站已经成为变电站发展必然趋势，为帮助电力企业实现减员增效、增强劳动生产率、提高电网安全和稳定发挥了不小的积极作用。继电保护装置的智能化对运行中的电力系统设备和线路可根据异常或故障发出跳闸命令或信号的自动装置。所以，继电保护装置的是否稳定运行对变电站的安全、可靠运行起到举足轻重的作用。而继电保护装置的是否稳定运行在很大程度上取决设备本身发热程度及散热情况[8]。