王騰龍，叢樹安，李鐵民，孔繁武

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)及我國智能電網(wǎng)建設進程的推進，智能變電站呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，目前的智能化變電站普遍將合并單元、智能終端等過程層智能二次設備布置在一次設備場中的就地智能控制柜內(nèi)[1-2]。通常情況下智能控制柜提供的環(huán)境溫度可以滿足智能二次設備裝置正常運行的要求[3-7]。但在我國的東北、西北及蒙東冬季嚴寒地區(qū)，冬季極端最低氣溫普遍在-40 ℃左右，個別地區(qū)接近-50 ℃，戶外智能控制柜存在無法保證安全運行的環(huán)境溫度問題。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)的問題，提出適應于嚴寒及寒冷環(huán)境下戶外智能控制柜的溫控設計方案。本文基于ANSYS ICEPAK仿真平臺，建立三維模型，進行了雙層柜體夾層中填充保溫材料情況下的仿真分析，對不同加熱模式進行研究，通過算例分析選擇最佳的溫控方案。

1 存在問題

根據(jù)對東北、西北及蒙東等冬季嚴寒地區(qū)已投運變電站的調(diào)研，冬季戶外氣溫最低普遍在-40 ℃左右，個別地區(qū)極端最低氣溫接近-50 ℃，發(fā)現(xiàn)智能控制柜存在如下問題。

a.智能控制普遍采用雙層柜體，但夾層中空，無隔熱材料填充。

b.單艙柜的制熱器件全部為單套配置，低溫情況下如制熱器件損壞將可能影響到設備運行。

c.雙艙柜、三艙柜的制熱器件既有單套配置也有雙套配置。即使是雙套配置，在制熱容量上也并非100%冗余，而是各自承擔50%，低溫情況下如有一套制熱器件損壞仍將可能影響到設備運行。

d.現(xiàn)已投入運行的智能控制柜普遍僅提供了溫度的實時值，未提供溫度越限報警信號，不利于運行監(jiān)視。

2 溫控方案

2.1 夾層選用低導熱系數(shù)材料

根據(jù)戶外智能控制柜結(jié)構(gòu)設計的基本原則，在結(jié)構(gòu)上智能控制柜體采用雙層殼體[3]，雙層殼體之間留有25 mm的空氣間隙，夾層中的空氣具備一定的隔熱保溫性能。為進一步降低柜體的導熱系數(shù)，可采用在密閉雙層柜體夾層中填充20 mm厚的低導熱系數(shù)的隔熱材料。針對雙層柜體采用空氣夾層和保溫材料夾層的情況，利用ANSYS ICEPAK軟件對智能控制柜進行熱力學仿真。

對各類保溫材料進行分析對比，發(fā)現(xiàn)聚氨酯材料具有導熱系數(shù)低，防火性能高，成本較低等優(yōu)點，因此，建議對極端氣溫低于-40℃的變電站智能控制柜的夾層中填充聚氨酯或其他性能相當?shù)谋夭牧稀?/p>

仿真結(jié)果見圖1、圖2，當柜體夾層填充了低導熱系數(shù)的保溫材料后，-40 ℃環(huán)境條件下柜內(nèi)溫度提高了約10 ℃，低溫環(huán)境下填充保溫材料對提高柜體保溫隔熱效果顯著。

圖1 -40 ℃下無保溫填充單艙柜內(nèi)溫度分布

圖2 -40 ℃下增加20 mm厚保溫填充單艙柜內(nèi)溫度分布

2.2 選擇合適的溫控模式

目前智能控制柜的溫控模式有風機結(jié)合加熱器、空調(diào)、熱交換器3種，3種溫控方案均能滿足低溫環(huán)境下智能控制柜的使用要求，但各有優(yōu)缺點，具體見表1。

表1 各溫控方案優(yōu)缺點對比

風機結(jié)合加熱器成本低、功耗低、由于設備簡單，制造工藝不復雜，相對而言設備可靠性高，但風機需要通風孔，存在熱量泄漏，氣流的攪動使粉塵容易進入柜內(nèi)，而且制冷、制熱效果在3種方案中均是最差的，工程中不建議采用。熱交換器成本相對較高，可靠性相對略低，但能保持柜體密閉，對低溫環(huán)境下的制熱有利。空調(diào)制冷、制熱性能優(yōu)異，這也是空調(diào)最大的優(yōu)勢，但低溫地區(qū)的夏季極限高溫一般不超過40℃，采用熱交換器也能滿足高溫散熱的要求，且空調(diào)存在能耗高、成本高、需要定期維護(補充制冷劑)、可靠性低等缺點。

通過分析，可根據(jù)工程實際情況，在嚴寒及寒冷地區(qū)優(yōu)先采用熱交換器模式進行溫度控制，如地區(qū)夏季溫度較高，可綜合考慮采用空調(diào)的模式進行溫度控制。

2.3 冗余配置加熱容量

在低溫環(huán)境下，為解決一旦出現(xiàn)加熱器件故障或柜門打開，柜內(nèi)溫度存在低于允許使用溫度的問題。在智能控制柜內(nèi)部加熱器件的配置中，應當進行針對性的設計，可采用兩種設計方案。 方案1：將空調(diào)或熱交換器完全雙重化配置，實現(xiàn)加熱容量的100%冗余。方案2：除了在機柜后方中部安裝空調(diào)、熱交換器外，還應當在機柜下方左右兩側(cè)各安裝1臺帶循環(huán)風機的加熱器，實現(xiàn)加熱容量的100%冗余。

方案1配置雙套空調(diào)或熱交換器存在成本高、安裝位置緊張，而且檢修時后柜門打開，若雙套加熱設備同時失去作用，機柜將處于無加熱保護狀態(tài)。方案2增配加熱器成本低、體積小、安裝方便，而且檢修時后柜門打開，安裝于機柜下方的加熱器處于工作狀態(tài)，可對柜內(nèi)溫度起到良好的維持作用。為避免由于傳統(tǒng)加熱器發(fā)熱量較為集中，所產(chǎn)生的高溫對機柜下方的線纜產(chǎn)生不利影響，建議加熱器配置風機，一方面可避免高溫影響柜內(nèi)線纜，另一方面可以大大提升加熱器加熱效率。經(jīng)比較推薦采用方案2實現(xiàn)加熱容量100%冗余。

2.4 主、備加熱器控制方案

主加熱器件與備用加熱器件的運行控制可以采用以下兩種方案。方案1：正常時主加熱器件投入工作，備用加熱器不投入工作，當智能控制柜柜門打開或主加熱器件故障時，備用加熱器投入工作，控制邏輯見圖3。方案2：主加熱器件與備用加熱器同時工作，按照設定溫度進行自動啟停，控制邏輯見圖4。

圖3 方案1主、備加熱器啟動邏輯框圖

圖4 方案2主、備加熱器啟動邏輯框圖

圖3、圖4中Y為加熱器停止工作溫度，X為加熱器啟動工作溫度，X和Y的溫度均可設定，單位為℃。在抗低溫方面，兩種方案均能解決加熱容量無冗余配置，智能控制柜檢修柜門打開時溫度降低的問題。兩種方案比較來看，方案1控制邏輯相對復雜，方案2控制邏輯簡單，但增大了站用電最大負荷。

慶南500 kV智能變電站隸屬黑龍江省大慶市，當?shù)囟镜蜏鼐禐?30.6 ℃，極端最低氣溫-40 ℃，該變電站500 kV、220 kV、66 kV配電裝置均采用了罐式斷路器，站用電負荷較大。下面以慶南500 kV智能變電站為例計算站用電負荷，為兩種控制方案的選擇提供依據(jù)，結(jié)果見表2。經(jīng)計算變電站本期夏季負荷292.25 kW，遠期夏季負荷375 kW，本期冬季最大負荷為640.25 kW，遠期冬季最大負荷為1 118.8 kW。如果按每面柜備用加熱器增加800 W，慶南變電站本期工程共37面智能控制柜，遠期工程共87面智能控制柜，本期工程增加備用加熱器容量29.6 kW，遠期工程增加備用加熱器容量69.6 kW。本期工程站用電最大負荷達到669.85 kW，遠期工程站用電最大負荷達到1 188.4 kW，已接近站用變壓器1 250 kVA額定容量，因此，建議優(yōu)先采用正常時主加熱器件投入工作，備用加熱器不投入工作，當智能控制柜柜門打開或主加熱器件故障時，備用加熱器投入工作的方案。

表2 慶南智能變電站用電負荷統(tǒng)計 kW

對雙加熱器溫控方案下的雙艙智能控制柜進行熱力學仿真，仿真結(jié)果見圖5，可見在外部環(huán)境溫度為-40 ℃時，柜內(nèi)溫度保持良好，完全滿足智能二次設備的運行條件。

圖5 -40 ℃下雙加熱器溫控方案下雙艙柜柜內(nèi)溫度分布

2.5 越限告警信號

目前智能控制柜內(nèi)普遍只提供溫度實時數(shù)據(jù)，而未提供溫度越限告警信號，不利于運行監(jiān)視，因此，溫控器需進一步完善如下功能：智能控制柜應具備柜內(nèi)溫度監(jiān)測及告警功能，其中溫度采用4～20 mA模擬量輸出，在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)做越限報警及梯度變化監(jiān)測報警功能，以便在溫度過高或過低及變化速度過快時能夠通知運行人員。為提高可靠性，柜內(nèi)的溫控元件配置故障硬接點輸出信號。

3 結(jié)論

通過調(diào)研東北、西北及蒙東冬季嚴寒地區(qū)已投運變電站現(xiàn)狀，針對在嚴寒及寒冷環(huán)境下智能變電站戶外智能控制柜內(nèi)智能二次設備安全運行對溫度的要求，提出適應于嚴寒及寒冷環(huán)境下戶外智能控制柜的溫控設計方案，通過仿真驗證所構(gòu)建的智能控制柜溫控設計方案的有效性，解決了在出現(xiàn)加熱器件故障或柜門打開的情況下柜內(nèi)智能二次設備無法適應嚴寒及寒冷運行環(huán)境的問題，提高了嚴寒及寒冷地區(qū)變電站的安全穩(wěn)定水平，對擴大智能變電站通用設計在嚴寒及寒冷環(huán)境下的適用范圍有積極作用。