一种用于变电站通信屏柜的智能调速风机单元

广东电网有限责任公司中山供电局 谢绍敏 李 伟

1 研究背景

在变电站控制室、二次室、通信室等功能室的通信屏柜内的交换机、防火墙等网络通信设备需要长期运行，往往会出现个别设备高温过热的情况，极端情况下容易导致通信设备运行异常甚至死机，从而引起通信网络故障，严重影响继电保护、测控、安自装置的安全运行。针对以上情况，需要对设备进行降温。目前，所能采取的降温措施多为在功能室内放置空调进行降温，该方法仅能降低室内的大部分环境温度和各设备平均温度，对于通信屏柜内个别高温的设备降温效果并不显著。也有部分厂家生产的通信屏柜顶部带有散热风机，与屏柜内的通信设备一同长期运行，但是散热风机的工作方式不够智能，散热效率较低。研究一种用于变电站通信屏柜的智能调速风机单元，针对现有降温设施无法在低能耗的前提下，实现设备精准、高效散热的问题，提出一种有效的解决方案[1]。

2 系统概述

该方案设计一款可用于通信屏柜内灵活散热的智能调速风机单元，其内置的风机转速调节控制器利用测温型热敏电阻检测通信屏柜内的环境温度。当设备温度达到预设高值时，风机启动，开始进行降温作业；当设备温度低于预调低值时，风机关闭。而且在风机运行过程中，智能调速风机单元会根据通信屏柜内环境温度的高低来控制风机的转速，当温度越高时，风机的转速越快；当温度越低时，风机的转速越慢。而且通过智能调速风机单元内的温控电路和监控电路系统，可实现风机的智能调速和远程监控[2]。

2.1 硬件设计

该种智能调速风机单元，集成了直流轴流风机、设备温度监控单元、测温型热敏电阻、智能调速及监控电路单元以及监控输出接口等，还包括风机安装板、风机安装罩、风机保护罩、电源接口、运行灯、导线等其他部件组成，具备监控设备温度、可调风速、可自主智能调速策略以及信号输出的功能。风机单元设计为竖式安装，可根据屏柜内所需降温设备放置位置灵活调整安装[3]，达到对高温设备针对性降温的目的，同时相较以往的横式风机，本发明装置不占据屏柜内原有设计的设备安装空间，屏柜加装风机时无须考虑屏柜内设备预留空间是否充足的问题。便于加装的同时，更有利于实现屏柜内高热设备的精准散热，可以有效降低通信屏柜内设备的运行温度，改善高能耗设备的运行环境，从而降低因通信网络设备故障导致事故事件的安全风险，总体工作原理如图1所示。

图1 总体工作原理图

本系统采用的热电偶温度变送器是工业上最常用的温度检测元件之一，具有测量精度高、测量范围广、结构简单、使用方便等特点，因此本方案以热电偶温度传感器来监测通信屏柜的温度变化，将高精度、高可靠的NTC 热敏电阻器与PVC 导线连接，用绝缘、导热、防水材料封装成所需要的形状，便于安装与远距离测控温。该热电偶温度变送器采用全新工艺、产品性能稳定，采用双层密封工艺，具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞、抗折弯能力、可靠性高，可根据使用的安装条件封装，便于安装，广泛应用于家用空调、汽车空调、冰箱、冷柜、热水器、饮水机等场合的温度测量与控制，其外形尺寸如图2所示。

图2 热电偶温度传感器外形尺寸

其工作原理是在确定电极材料之后，将两种不同材料的导体或半导体A 和B 焊接起来，以构成一个闭合回路。如此，当导体A 和B 之间存在温差时，两者之间便产生电动势，从而在回路中形成一个具有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。由热电效应测得的电阻值只与工作端温度成单值函数关系。

2.2 软件设计

通过采用ANSYS 软件对密闭通信屏柜内的空气湍流进行建模，结合传感器数据，获得通信屏柜内空气湍流的可视化模型，并据此计算出针对通信屏柜内高热设备的最优散热方式，并在通信屏柜顶部设计一个散热抽风口，加速通信屏柜内空气流通，从而有效实现精准散热。本装置具备状态数据上传功能，接口预设置，即插即用，可拓展性强，远期根据需要可接入现有动力和环境监控系统。

2.3 控制逻辑

一是根据通信屏柜内的设备温度，智能调节风机的转速，当设备温度≥40℃时，风机启动；当设备温度≤35℃时，风机关闭。二是风机每次运行时间至少为10min，风机开启间隔时间为3min，风机至少每天运行一次。三是温度控制曲线图如图3所示。

图3 温度控制曲线图

3 实例应用

下文一种智能调速风机单元为基于上述原理的一个实例应用。

3.1 结构组成

该智能调速风机单元由风机安装板、风机安装罩、直流轴流风机、风机保护罩、调速及监控单元、监控接口、电源接口、运行灯及测温型热敏电阻等主要元器件组成，如图4、图5所示。

图4 智能调速风机单元立体图（正面视图）

图5 智能调速风机单元内部结构立体图（背面视图，去除背面的风机安装罩）

其中，风机安装板可采用标准19英寸（或21英寸）安装，高度为3U 高，可以安装在19英寸（或21英寸）安装的标准机柜内（1英寸=2.54厘米）。

其中，为了保护测温型热敏电阻，会在测温型热敏电阻外面加装保护金属壳，以保护测温型热敏电阻不易受到损坏。测温型热敏电阻通过连接导线同智能调速风机单元内的调速及监控单元连接，连接导线的长度可根据现场需要进行适配。

3.2 工作流程

一是当通信屏柜内某设备温度较高，需要进行精准降温时，可以根据现场情况将智通调速风机单元安装在最适合设备降温的地点，一般是安装在通信屏柜后部的方孔条上，位于该设备后部偏上的位置。将测温型热敏电阻放置于该设备的最佳测温点附近，并固定好。将智能型风机单元的电源线，接入通信屏柜内的配电单元上。并通过智能型风机单元的监控接口，连接通信屏柜的动力和环境监控系统的相应接口上。至此，连线完成，智能调速风机单元此时处于工作状态。

二是当该设备测温点处温度升高至≥40℃时，直流轴流风机启动，开始进行抽空气作业，将该设备周围的热空气抽走，同时通信屏柜外的冷空气会补充进来，从而达到给设备降温的效果。

三是当设备测温点处温度降低至≤35℃时，直流轴流风机关闭、待机。进入下一个工作循环。同时，通过监控接口，可以将智能调速风机单元的工作信息和设备温度信息上传至动力和环境监控系统，便于远程监控及记录设备温度、智能调速风机单元的工作状况等情况。

3.3 应用效果

现场在某220kV 变电站通信机房某通信屏柜加装该风机单元，仅需在边角处使用4颗螺丝将风机单元固定于屏柜内安装导轨，进行简单接线即可，安装过程简便，如图6所示。

图6 现场安装效果

由于室内空调制冷比较充足，使用温度发生器模拟40℃高温环境，在热敏电阻与温度发生器热源接触后，风机达到条件开始启动，1min 后屏内设备最高温度由启动前的32.4℃降至31.9℃，降温效果显著，如图7所示。另外，现场还对风机单元的调速性能做了评估。将温度发生器温度由40℃至50℃匀速调整，随着温度升高，现场明显可见风扇转速加快，至50℃时达到设计最大转速，调速过程线性良好。当模拟温度降至35℃时，风机停转，响应灵敏。

图7 风机启动前后测温对比

4 结语

本文介绍了一种对变电站通信屏柜实现精准、高效散热的有效解决方案。本方案具有以下特点：一是智能调速风机单元整体外观小巧，安装方便，不会造成原设备的维护、检修困难；二是可根据通信屏内设备安装情况灵活配置和安装，对发热源进行精准散热；三是通过智能调节风机转速，提高散热效率，延长风机的使用寿命；四是提供监控接口，可直接接入动力和环境监控系统，可远程监测到智能调速风机单元的运行状态。本方案应用前景广泛，有较大的经济效益和社会效益。