李輝，劉海峰，陳宏，許立強(qiáng)，歐陽帆，敖非，沈楊

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

湖南省智能變電站戶外匯控柜運(yùn)行情況分析

李輝，劉海峰，陳宏，許立強(qiáng)，歐陽帆，敖非，沈楊

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

介紹了湖南省氣候特征及目前省內(nèi)常用的風(fēng)扇、熱交換及空調(diào)三種戶外智能匯控柜的工作原理；研究了影響戶外匯控柜柜內(nèi)溫濕度的主要因素；結(jié)合大量實測數(shù)據(jù)分析了湖南省智能變電站戶外匯控柜的運(yùn)行現(xiàn)狀并給出了相關(guān)建議。

智能變電站；戶外匯控柜；散熱；溫度；濕度

智能變電站建設(shè)在湖南省已全面鋪開，除曾家沖等極少數(shù)戶內(nèi)GIS站外，湖南省均為戶外AIS或GIS站〔1〕。此種方式下，功能上等同于傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置采樣模塊和操作箱的合并單元和智能終端，通常就地化安裝于戶外一次設(shè)備旁的智能匯控柜內(nèi)〔2〕。由于智能電子設(shè)備對環(huán)境，尤其是溫、濕度的變化較為敏感，當(dāng)工作環(huán)境不滿足要求時，有可能導(dǎo)致電子設(shè)備故障，影響電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。湖南地區(qū)具有雨水多、濕度大、夏季氣溫高等特點(diǎn)，戶外環(huán)境較戶內(nèi)環(huán)境差，溫、濕度變化大，智能匯控柜能否為合并單元、智能終端等智能設(shè)備提供良好的運(yùn)行環(huán)境已成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 湖南省氣候特點(diǎn)

湖南位于長江以南，緯度偏低，為大陸性特征明顯的中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。在冬季，常受從西伯利亞和蒙古高原南下的冷氣團(tuán)控制，比較濕冷，在準(zhǔn)靜止鋒面和氣旋活動的影響下，可帶來一定的雨雪冰霜天氣。在夏季，則多為低緯度海洋暖濕氣團(tuán)所盤踞，氣候高溫多雨。春季，地面南北氣流對峙，氣旋及鋒面活動頻繁，雨水較多，天氣多變。秋季是從夏入冬的過渡季節(jié)，副熱帶高壓勢力逐步南撤，偏北氣流漸次控制全境，全省呈現(xiàn)出氣層垂直結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，而濕度又很小的秋高氣爽天氣?？梢杂盟木湓捀爬ê系臍夂蛱卣?氣候溫和，四季分明；熱量充足，降水集中；春溫多變，夏秋多旱；嚴(yán)寒期短，暑熱期長。

圖1為統(tǒng)計的2013年7月份至2014年5月份的長沙市近一年的戶外溫濕度數(shù)據(jù)。溫濕度數(shù)據(jù)均為每半小時記錄一個點(diǎn)，戶外溫濕度計放置在太陽無直射處?？梢钥闯?，長沙地區(qū)7，8月份溫度較高，最高氣溫超過40℃，2個月最低氣溫不低于30℃，月平均氣溫在34℃左右。濕度則無明顯季節(jié)性變化，全年濕度均較大，60%以上時間相對濕度維持在60%以上。

2 戶外智能匯控柜種類及工作原理

目前湖南省智能變電站戶外智能匯控柜按散熱方式分為3種:熱交換柜、空調(diào)柜、風(fēng)扇柜。

2.1 熱交換柜

目前智能變電站內(nèi)的熱交換柜主要采用空氣/空氣熱交換器作為散熱設(shè)備〔3〕?？諝?空氣熱交換器是利用低于柜內(nèi)溫度的柜外空氣通過熱交換芯進(jìn)行有效熱交換，實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。此種方式下，柜內(nèi)外的空氣完全隔離。在空氣/空氣熱交換器運(yùn)行過程中，分隔開的氣流將在功率強(qiáng)大的風(fēng)扇的驅(qū)動下，經(jīng)過熱交換芯，由低于柜內(nèi)溫度的柜外空氣帶走經(jīng)熱交換芯傳遞出的柜內(nèi)熱量。

使用空氣/空氣熱交換器的前提是柜外溫度必須低于柜內(nèi)溫度。且其制冷能力受柜外氣溫的影響較大，柜內(nèi)外溫差越大，其制冷效果越好。

另外，由于柜內(nèi)外空氣完全隔離，能有效防止灰塵和有腐蝕性氣體進(jìn)入柜內(nèi)。

目前，湖南省普遍采用熱交換柜。

2.2 空調(diào)柜

空調(diào)柜采用嵌入式小型空調(diào)對智能匯控柜內(nèi)空氣溫度、濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過風(fēng)機(jī)構(gòu)成內(nèi)部的空氣流通，提高溫度調(diào)節(jié)效率。其主要優(yōu)點(diǎn)是不管外界氣溫如何變動，都能確保柜內(nèi)溫度保持在理想的設(shè)定溫度。同樣，由于柜內(nèi)外空氣完全隔離，空調(diào)柜也能有效防止灰塵和有腐蝕性氣體的進(jìn)入。缺點(diǎn)主要是耗電量大、價格較高且空調(diào)質(zhì)保期較短、后期維護(hù)成本較高、維修時間較長。

2.3 風(fēng)扇柜

風(fēng)扇柜采用風(fēng)扇強(qiáng)制空氣流通，將熱量排出柜外。柜內(nèi)較大的空氣流通可減輕電氣元件局部熱島現(xiàn)象，有助于電氣元件的散熱。

因為熱空氣比冷空氣輕，故風(fēng)扇柜一般采用后門下部進(jìn)風(fēng)，上部出風(fēng)方式。風(fēng)機(jī)安裝在進(jìn)風(fēng)口，若采用2個進(jìn)風(fēng)口，則一般2個進(jìn)風(fēng)口采用上下排布方式，使風(fēng)扇正對著模塊吹風(fēng)，利于模塊散熱，進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口間安裝隔風(fēng)板，阻擋空氣短路，使冷空氣盡可能多的吹過模塊，加速帶走模塊周圍熱空氣。風(fēng)扇外側(cè)均裝有過濾網(wǎng)。風(fēng)扇啟停由柜內(nèi)的溫度控制器控制。

風(fēng)扇柜的優(yōu)點(diǎn)主要是能耗低、成本低，維護(hù)方便；缺點(diǎn)也很明顯，因其不是密閉結(jié)構(gòu)，故不適用于濕熱、鹽霧環(huán)境和粉塵較大的環(huán)境。此外，風(fēng)扇柜還需要定期維護(hù)過濾棉。

3 影響戶外匯控柜柜內(nèi)溫濕度的主要因素

智能匯控柜熱量主要來自內(nèi)部模塊發(fā)熱和外部太陽輻射。熱量傳遞路徑主要包括2個部分:

路徑1:智能控制柜內(nèi)部生成的熱量通過對流及輻射傳給智能控制柜內(nèi)表面，再通過夾層材料(如空氣、海面、泡沫等)的導(dǎo)熱傳到智能控制柜外表面，最后通過對流及輻射傳給周圍的大氣。

路徑2:智能控制柜外表面吸收太陽輻射熱量，一部分通過對流及輻射傳給周圍大氣，另一部分則通過夾層材料(如空氣、海面、泡沫等)的導(dǎo)熱傳到智能控制柜內(nèi)。

因此，智能匯控柜柜內(nèi)溫度決定于進(jìn)入智能控制柜熱量加上內(nèi)部生成熱量與控制柜表面散熱量之差。要降低匯控柜內(nèi)溫度，一要減少進(jìn)入?yún)R控柜太陽輻射熱量，二要盡量使柜內(nèi)熱量排出柜外。

智能控制柜內(nèi)的濕度則主要和柜內(nèi)空氣的干濕程度有關(guān)，可用相對濕度(RH)表示。一般來講，空氣的溫度越高，它容納水蒸氣的能力就越高，在空氣所含水蒸氣不變的情況下，相對濕度將降低。圖2所示的2014年7月10日熱交換柜柜內(nèi)實測溫濕度變化曲線也反映了這一規(guī)律。因柜體為密閉結(jié)構(gòu)，柜內(nèi)空氣所含水蒸氣一定，當(dāng)柜內(nèi)溫度升高時，相對濕度降低；溫度降低時，柜內(nèi)相對濕度升高。

圖2 溫濕度變化曲線

4 戶外柜實際運(yùn)行效果分析

為了解湖南省就地智能匯控柜實際散熱效果，國網(wǎng)湖南電科院在迎峰度夏期間下發(fā)了《關(guān)于開展在運(yùn)智能變電站就地匯控柜溫濕度測試的通知》，要求對湖南省在運(yùn)的智能變電站就地匯控柜進(jìn)行溫濕度的測試。測試項目包括戶外環(huán)境(太陽無直射處)溫濕度、匯控柜柜頂溫濕度、柜內(nèi)環(huán)境溫濕度及合并單元、智能終端裝置溫度。測溫時間選取7月下旬至8月下旬的午間。其中“戶外環(huán)溫”和“柜溫”采用溫度計測量，“裝置面板”和“光纖接口”溫度采用紅外測溫儀測量。取每站各柜的平均讀數(shù)，幾個典型站的數(shù)據(jù)見表1。

表1 戶外匯控柜測溫綜合數(shù)據(jù)℃

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:風(fēng)扇柜對溫度的控制能力最差，柜內(nèi)外溫差接近＋8℃(現(xiàn)階段的研究表明:風(fēng)扇柜的散熱效果應(yīng)優(yōu)于熱交換柜。北湖變風(fēng)扇柜散熱效果差一方面與其風(fēng)扇安裝位置有關(guān)；另一方面，其風(fēng)扇選型方面可能存在“小馬拉大車”情況)；熱交換柜溫差相比較小，但高于環(huán)溫；空調(diào)柜內(nèi)溫度穩(wěn)定在30℃左右，與環(huán)溫?zé)o關(guān)。

此外，不同廠家的產(chǎn)品因采用的材料和內(nèi)部熱處理的措施不相同，導(dǎo)致裝置面板溫度和光纖接口溫度存在較大差異，如表1中所示，都塘變和永和變均采用空調(diào)柜，柜內(nèi)環(huán)溫均在30℃左右，但2個廠家產(chǎn)品的面板和光纖接口溫度差別較大。

濕度測試結(jié)果如表2所示。因測試時，風(fēng)扇柜和空調(diào)柜所在地的環(huán)境濕度相對較小，測試數(shù)據(jù)無法反映匯控柜對濕度的影響。熱交換柜可粗略顯示柜內(nèi)濕度要較環(huán)境濕度低。測試的濕度結(jié)果滿足“濕度應(yīng)保持在90%以下”的要求。

表2 戶外匯控柜濕度測試綜合數(shù)據(jù)%

對柜內(nèi)裝置的紅外測溫表明，實測裝置表面溫度范圍在40～85℃之間，且測量數(shù)據(jù)表明匯控柜內(nèi)存在局部溫差現(xiàn)象:

1)裝置表面溫度分布不均，這與電氣元件發(fā)熱局部集中有關(guān)；

2)智能裝置發(fā)熱點(diǎn)主要集中在背板的電纜和光纖接線端子處，其中，又以光纖接線端口的溫度為最高(82.5℃)，這與光纖端口光電轉(zhuǎn)換元件發(fā)熱有關(guān)。

鑒于湖南省空調(diào)柜及熱交換柜使用較多的現(xiàn)狀，選取了長沙某智能變電站，通過就地溫、濕度自動采集裝置，統(tǒng)計戶外環(huán)境溫濕度及目前智能變電站主流的空調(diào)和熱交換兩種方式下匯控柜內(nèi)的溫、濕度變化趨勢。溫濕度數(shù)據(jù)均為每半小時記錄一個點(diǎn)，戶外溫濕度計放置在太陽無直射處。柜內(nèi)溫濕度計放置在柜體后側(cè)靠右上部位。

表3及圖3給出了從2013年7月24日至8月29日一個多月每天的熱交換柜和空調(diào)柜溫度情況。這段時期也是長沙天氣最熱的日子，全省用電負(fù)荷屢創(chuàng)新高。數(shù)據(jù)表明:熱交換柜溫度比戶外環(huán)溫平均高4.8℃；空調(diào)柜平均溫度32.6℃，波動在±2℃，控溫較穩(wěn)。

表3 2013年7—8月戶外柜溫度統(tǒng)計表℃

圖3 2013年7至8月份溫度變化曲線

表4及圖4給出了從2014年2月份的熱交換柜和空調(diào)柜濕度情況。這段時期長沙連日多雨，濕度較大。數(shù)據(jù)表明:雖然戶外濕度較大，平均濕度達(dá)81.18%，但由于熱交換柜與空調(diào)柜均為密閉結(jié)構(gòu)，其濕度相對穩(wěn)定，最大值亦不超過60%，平均濕度熱交換柜為44.72%、空調(diào)柜為41.43%，均較為理想。

表4 2014年2月份戶外柜濕度統(tǒng)計表%

圖4 2014年2月份濕度變化曲線

目前，針對智能匯控柜環(huán)境溫度控制的問題，出臺的條款較多且存在差異。故在文獻(xiàn)〔4〕中對就地柜的環(huán)境的要求進(jìn)行了協(xié)調(diào)后如下:“按各標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)格的要求執(zhí)行，柜內(nèi)最低溫度應(yīng)保持在＋5℃以上，柜內(nèi)最高溫度不超過柜外環(huán)境最高溫度或40℃(當(dāng)柜外環(huán)境最高溫度超過50℃時)?！?/p>

若根據(jù)此條款，湖南省除空調(diào)柜以外，均不滿足要求。另外，根據(jù)與智能設(shè)備廠家的溝通，其設(shè)備雖然均標(biāo)稱可在－10～50℃的溫度下運(yùn)行，但其推薦溫度是30～35℃。因為智能組件的插件多為塑料材質(zhì)，長時間高溫運(yùn)行將加速絕緣老化，縮短電子元器件使用壽命〔5－6〕。湖南省屬典型南方氣候，夏季持續(xù)高溫高濕，戶外匯控柜內(nèi)的智能設(shè)備將可能長期運(yùn)行在40℃及以上的高溫環(huán)境下，智能設(shè)備的整體運(yùn)行情況堪憂。此外，由于湖南省智能變電站建設(shè)時間不長，故近2年溫度導(dǎo)致的設(shè)備故障問題還不是很突出，但因溫度影響導(dǎo)致的設(shè)備老化問題可能在2～3年后集中爆發(fā)，給湖南省電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來隱患。

5 結(jié)論和建議

結(jié)合大量實測數(shù)據(jù)分析了湖南省戶外智能匯控柜內(nèi)溫濕度情況，建議如下:

1)3種散熱方式中空調(diào)散熱效果最好。因此有條件的地區(qū)推薦采用空調(diào)散熱方式。

2)對風(fēng)機(jī)型戶外柜，建議每年的5月份完成對風(fēng)機(jī)過濾棉的清洗或者更換；對空調(diào)和熱交換器，建議每年的5月份完成對外側(cè)冷凝器進(jìn)行清洗、內(nèi)外風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3)由于部分智能變電站距離市區(qū)較遠(yuǎn)，防止在夏季出現(xiàn)溫控設(shè)備故障導(dǎo)致戶外柜內(nèi)部出現(xiàn)高溫問題，建議每個變電站按照1∶20的比例配備相應(yīng)的溫控附件的備件，以確保溫控附件出現(xiàn)故障后能及時的進(jìn)行更換。

4)應(yīng)建立智能變電站戶外智能控制柜溫濕度檔案庫，定期開展溫濕度測試及紅外測溫工作，及時與往年數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，對出現(xiàn)性能劣化的溫控器件進(jìn)行及時更換。

5)建議下階段開展匯控柜內(nèi)光纖接口和接線端子的老化試驗，研究在湖南氣候條件下，分別采用3種散熱方式時，主流廠家設(shè)備的老化時間以及老化后對電網(wǎng)運(yùn)行帶來的風(fēng)險。

〔1〕劉海峰，趙永生，譚建群，等.智能變電站技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和展望〔J〕.湖南電力，2013，33(S1):9-14.

〔2〕倪益民，楊宇，樊陳，等.智能變電站二次設(shè)備集成方案討論〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2014，38(3):194-199.

〔3〕朱云霄，朱云燦，嚴(yán)華.智能變電站戶外智能控制柜熱設(shè)計〔J〕.電子機(jī)械工程，2013，29(6):18-22.

〔4〕國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)科〔2014〕(108號)國家電網(wǎng)公司關(guān)于發(fā)布電網(wǎng)運(yùn)行有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差異協(xié)調(diào)統(tǒng)一條款的通知〔Z〕.2014.

〔5〕陳炳生.電子設(shè)備可靠性技術(shù)〔M〕.北京:北京科技出版社，1983.

〔6〕余建組，高紅霞，謝永奇.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)〔M〕.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

Analysis of operation conditions for outdoor control cabinet in smart substations of Hunan province

LI Hui，LIU Haifeng，CHEN Hong，XU Liqiang，OUYANG Fan，AO Fei，SHEN Yang
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The climatic characteristics and operating principles of three common outdoor control cabinets such as fans，heat exchangers and air-conditions in Hunan province are introduced in the paper.The chief factors that affect the temperature and humidity in outdoor control cabinet are studied.Based on measurement data，the operation conditions for outdoor control cabinet in smart substations of Hunan province are analyzed，and related suggestions are proposed.

smart substation；outdoor control cabinet；heat dissipation；temperature；humidity

TM63

B

1008-0198(2016)01-0036-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.010

2015-07-28 改回日期:2015-08-12

國網(wǎng)湖南省電力公司科技項目(5216A513509Q)