牛 強，鐘加勇，陶永健，姜 帥，席亞克，韓 湘，張瑞芬

(1．許繼集團有限公司，河南省許昌市461000;2．國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶市401121)

0 引 言

隨著資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)的逐步推進，“節(jié)材、節(jié)地、節(jié)能”等要求日益凸顯［1］。變電站建設(shè)趨向于土地占用少、工程造價低、建設(shè)周期短、運維便捷等特點，新技術(shù)、新材料的發(fā)展也為變電站建設(shè)模式改變創(chuàng)造了條件［2］。通過優(yōu)化智能變電站布局，逐步推進二次設(shè)備就地化，是智能變電站建設(shè)模式的發(fā)展方向之一［3］。

二次設(shè)備就地化有利于節(jié)省電纜，簡化二次回路，使二次回路更加清晰、簡單、可靠;減少主控室、保護小室建筑面積，節(jié)約投資;減少施工的工作量，方便運行維護［4］。

二次設(shè)備下放到高壓配電區(qū)中安裝，電磁和氣候環(huán)境惡劣，需要采取合理的抗干擾和溫濕度防護措施，保障設(shè)備安全運行。目前，二次設(shè)備就地化防護方案主要有以下3 種。

(1)保護小室。保護小室設(shè)置在高壓配電區(qū)內(nèi)，采用導(dǎo)電或?qū)Т诺姆忾]面對內(nèi)外空間進行電磁隔離［5］。電場屏蔽的屏蔽體主要由良導(dǎo)體制成，并良好接地，形成零電位法拉第籠;磁場屏蔽的屏蔽體主要由高磁導(dǎo)率的金屬材料制成。保護小室多應(yīng)用于220 kV 及以上變電站，對二次設(shè)備防護效果好。對于低電壓等級變電站，由于二次設(shè)備不多，占地面積小，不宜采用保護小室模式。

(2)戶外柜。戶外柜由金屬或非金屬材料制成，其內(nèi)部可安裝就地化二次設(shè)備及其他配套設(shè)備，能為內(nèi)部設(shè)備提供可靠的機械和環(huán)境保護的戶外柜體［6］。戶外柜配置溫濕度控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)柜內(nèi)溫度、濕度變化自動進行調(diào)節(jié)，為柜內(nèi)設(shè)備提供合適的溫度、濕度環(huán)境。

(3)無防護方案。美國GE 公司研制了可以無防護安裝的就地化設(shè)備，無須配置戶外柜進行防護，安裝更加簡便，對安裝環(huán)境要求低。

綜上所述，保護小室防護方案增加了變電站建筑面積，土建周期長;戶外柜防護方案按間隔配置，柜體數(shù)量多，而且環(huán)境防護效果有限，在風沙、雨雪等惡劣天氣下設(shè)備運維管理不便［7］;無防護方案硬件成本高，經(jīng)濟性差，不利于推廣。針對上述問題，本文通過研究溫度、濕度、電磁干擾對二次設(shè)備的干擾機制，結(jié)合重慶大石220 kV 智能變電站建設(shè)情況，綜合考慮可靠性和經(jīng)濟性，提出了一種預(yù)制艙防護方案，具有布置緊湊、經(jīng)濟性好、防護效果明顯、可廠內(nèi)預(yù)制生產(chǎn)、建設(shè)周期短等特點。

1 氣候和電磁環(huán)境對設(shè)備的影響

1.1 溫度的影響

(1)溫度對半導(dǎo)體器件的影響。半導(dǎo)體器件對溫度反應(yīng)很敏感，過高的溫度會使器件的工作點發(fā)生漂移、增益不穩(wěn)定、噪聲增大以及信號失真，嚴重時引起熱擊穿。

(2)溫度對電阻器件的影響。溫度升高，會使電阻的使用功率下降，導(dǎo)致其壽命降低。溫度每升高或降低10 ℃，阻值變化1%。

(3)溫度對電容器件的影響。溫度對電容器件的影響，主要是降低使用壽命。在超過規(guī)定允許溫度范圍工作時，溫度每升高10 ℃，壽命降低一半。

在無散熱措施下，對戶外柜進行溫升測試，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖1 所示。測試環(huán)境:柜體完全封閉，無任何散熱措施，放置于戶外無遮蔽場所;柜內(nèi)4 臺設(shè)備，每臺功耗60 W，總功耗240 W 左右;測試地點在許昌。室外溫度由溫度計測得，柜內(nèi)溫度由溫度傳感器測得，外側(cè)壁、門外側(cè)溫度由紅外測溫儀測得。

圖1 戶外柜溫升趨勢圖Fig.1 Temperature trend of outer chamber

測試結(jié)論:如果不配備散熱措施，柜內(nèi)溫度將逐步攀升，使柜內(nèi)設(shè)備處于高溫環(huán)境下運行，可能導(dǎo)致設(shè)備因溫度過高而“死機”，降低就地化設(shè)備可靠性。

1.2 濕度的影響

空氣濕度接近或達到飽和時，會在元器件、PCB上產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，造成絕緣材料表面的電導(dǎo)率增加，體積電阻率降低，介質(zhì)損耗增加，導(dǎo)致電氣短路、漏電或擊穿等，增大元件偶然失效的幾率，縮短設(shè)備的平均故障間隔時間tMTTR。

1.3 電磁環(huán)境的影響

(1)一次設(shè)備運行。變電站中運行的線路、母線會產(chǎn)生工頻磁場，電壓等級越高，電場強度越大。不良氣候條件下導(dǎo)線上的電暈、連接不緊密處金屬部件的放電、臟污外絕緣表面的局部放電等都可成為頻譜寬的干擾源［8］。

(2)開關(guān)操作。變電站內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備在投切操作時，由于感性負載存在，觸頭間會產(chǎn)生一系列電弧，在被斷開或充電的母線上引起一系列的高頻電流波和電壓波，并以暫態(tài)電磁波形式向周圍空間輻射，通過連接在母線上的互感器耦合至二次回路［9］。

(3)雷電。雷擊暫態(tài)過電壓以大氣行波的方式向變電站傳播，不僅直接作用至一次設(shè)備，而且通過CT、PT 或一、二次系統(tǒng)間的各種耦合途徑，或接地網(wǎng)進入二次回路。如果受影響的設(shè)備阻抗較高，則設(shè)備承受雷擊電壓脈沖;如果受影響的設(shè)備阻抗較低，則設(shè)備承受雷擊電流脈沖，引起變電站地電位升高及地電位差［10］。

(4)系統(tǒng)短路故障。系統(tǒng)短路時，大電流經(jīng)接地點進入接地網(wǎng)，引起接地點乃至整個接地網(wǎng)電位升高，在二次回路中產(chǎn)生共模干擾電壓［11］。統(tǒng)計表明，變電站內(nèi)高壓母線接地時，在二次電纜上產(chǎn)生的干擾電壓峰值可達到幾十V 到1 萬多V，暫態(tài)電壓的頻率可達幾百kHz。

(5)干擾電壓。電磁感應(yīng)產(chǎn)生的干擾電壓，是由于一次回路和二次回路之間存在互感引起的。干擾電壓的大小與一二次回路間的互感阻抗、干擾源電流的大小、頻率以及一二次回路的相對位置有關(guān)?？刂齐娎|和干擾源導(dǎo)線平行時的電磁干擾，如圖2所示［12］。

圖2 設(shè)備之間的干擾電壓Fig.2 Interference voltage between devices

若干擾源流過按正弦規(guī)律變化的電流，則一、二次回路間的互感M 按公式(1)計算:

式中:μ0為空氣的導(dǎo)磁系數(shù);L 為平行的電纜芯長度;a、b 為每根電纜芯與干擾源的距離。

此時，負載上的干擾電壓按公式(2)計算:

電磁感應(yīng)引起的干擾電壓足夠大時，可能會導(dǎo)致有關(guān)設(shè)備的誤動作和絕緣擊穿。

2 預(yù)制艙防護方案

2.1 預(yù)制艙組成

預(yù)制艙整合了戶外柜和集裝箱的優(yōu)勢，由艙體、保護屏體、艙內(nèi)配套設(shè)備、電磁屏蔽、防雷及接地等組成。艙內(nèi)配套設(shè)備主要包括照明系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、防靜電地板、消防系統(tǒng)、監(jiān)測采集設(shè)備等(見圖3)。上述設(shè)備及艙內(nèi)保護屏體，可以在工廠內(nèi)完成整體的制造、安裝和配線，作為一個整體運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，進行安裝、接線和調(diào)試，可大幅縮短建設(shè)周期。

預(yù)制艙內(nèi)部空間大，可容納多面柜體，能夠同時為多個間隔的就地化二次設(shè)備提供防護。

圖3 預(yù)制艙組成Fig.3 Composition of precast chamber

2.2 預(yù)制艙尺寸

根據(jù)《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》，以下幾種情況屬于超限運輸:車貨總高度從地面算起4 m以上;車貨總長18 m 以上;車貨總寬度2.5 m 以上。為避免大件運輸?shù)膯栴}，預(yù)制艙的尺寸可借鑒現(xiàn)有集裝箱的標準尺寸，采用以下3 種尺寸。

(1)20 尺預(yù)制艙:6 058 ×2 438 ×2 896(mm);

(2)30 尺預(yù)制艙:9 125 ×2 438 ×2 896(mm);

(3)40 尺預(yù)制艙:12 190 ×2 438 ×2 896(mm)。

2.3 預(yù)制艙性能要求

預(yù)制艙安裝在配電裝置區(qū)，為就地化二次設(shè)備提供可靠的防護措施，確保二次設(shè)備安全運行，應(yīng)滿足以下性能要求:

(1)使用壽命不低于20年;

(2)防護性能不低于IP55;

(3)溫濕度控制系統(tǒng)方案應(yīng)因地制宜，根據(jù)不同地域的環(huán)境條件選擇切合實際的方案，保證預(yù)制艙內(nèi)溫濕度環(huán)境滿足設(shè)備運行和運維的要求;

(4)電磁屏蔽方案應(yīng)設(shè)計合理，保證預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備在配電裝置區(qū)正常工作;

(5)配置視頻監(jiān)控及火災(zāi)報警系統(tǒng)，視頻和報警信息傳至智能輔助控制系統(tǒng);

(6)配置應(yīng)急照明系統(tǒng)和逃生門。

2.4 預(yù)制艙結(jié)構(gòu)

(1)預(yù)制艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)綜合考慮風荷載、地震作用，滿足抗風及抗震要求。

(2)預(yù)制艙基本結(jié)構(gòu)分為整體式和拼裝式2 種。整體式剛性結(jié)構(gòu)的箱體為鋼質(zhì)，6 面封閉，安裝1 扇房門，底部留電纜進出口;拼裝式結(jié)構(gòu)的箱體為板材、構(gòu)件拼裝組成，5 面封閉，安裝1 扇房門，底部座在水泥基礎(chǔ)平面上。

(3)建議預(yù)制艙主體結(jié)構(gòu)采用強度高、自重輕、整體性和抗震性好的鋼結(jié)構(gòu)型，梁柱間采用焊接或螺栓連接。艙體底部可加設(shè)水平或縱向工字鋼或槽鋼，加強艙體的整體牢固性。

(4)建議預(yù)制艙頂部設(shè)計為斜頂結(jié)構(gòu)，預(yù)防積水和積雪;斜頂與箱體采用緊固件連接方式，緊固件設(shè)計應(yīng)考慮當?shù)刈畲箫L速等天氣情況。

(5)為方便穩(wěn)定起吊，預(yù)制艙底部設(shè)置伸縮式吊裝桿，吊裝時可方便的拉出。

2.5 艙體材料

為保證就地化二次設(shè)備在良好的環(huán)境條件下運行，預(yù)制艙需要進行隔熱處理，可以采用以下幾種方式:連接結(jié)構(gòu)、木框結(jié)構(gòu)、隔熱填充料、膠合板等，隔熱填充材料為聚苯泡沫板和聚氨酯等。

預(yù)制艙多采用金邦板做為艙體材料。金邦板以水泥、粉煤灰、硅粉、珍珠巖為主要原料，加入復(fù)合纖維增強，經(jīng)真空高壓擠出成型，并經(jīng)高溫高壓蒸氣養(yǎng)護、精細加工與多層噴涂而成;具有綠色環(huán)保、輕質(zhì)高強、隔音隔熱、耐水防火、耐候抗凍等特點。

2.6 預(yù)制艙溫濕度控制系統(tǒng)

預(yù)制艙較戶外柜空間大，可供選擇的溫濕度控制系統(tǒng)比較多，按能耗從低到高主要有3 種溫濕度控制系統(tǒng)。

(1)全新風系統(tǒng)。由新風主機、風管路、閥門、排風機、控制系統(tǒng)組成。新風主機由取風口、過濾網(wǎng)、風機、濕膜加濕器等組成，詳見圖4。

圖4 全新風系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of new wind system

(2)熱管節(jié)能轉(zhuǎn)換器。熱管由外殼、吸液芯和載熱工質(zhì)3 部分組成，導(dǎo)熱能力強，是優(yōu)良導(dǎo)熱體銀、銅的當量導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)百倍，能在溫差極小的情況下，傳遞熱流，詳見圖5。

圖5 熱管節(jié)能轉(zhuǎn)換器Fig.5 Heat pipe energy-saving converter

(3)空熱一體機。熱管系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)互為備用，可設(shè)定室外溫度低于30 ℃時，熱管啟動，空調(diào)不啟動;高于30 ℃時，由空調(diào)制冷。該機具有雙高效節(jié)能、無室外機、防盜、噪音低、蒸發(fā)器不過新風、冷凝器不易積塵等優(yōu)點，詳見圖6。

圖6 空熱一體機Fig.6 Integration of air conditioning and heat pipe

為使箱體內(nèi)部維持恒溫，艙內(nèi)配置雙套空熱一體機，形成雙冗余備份，進行內(nèi)部環(huán)境溫濕度控制。2臺空熱一體機的工作狀態(tài)按一定的邏輯程序控制，保證艙體內(nèi)始終有1 臺正常運行，當1 臺出現(xiàn)故障時，及時切換至另外1 臺運行，同時發(fā)出故障警報，保障柜內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。同時2 臺設(shè)定不同的啟動溫度，并與智能輔助控制系統(tǒng)進行聯(lián)動，可保證當邏輯控制系統(tǒng)發(fā)生故障，艙內(nèi)溫度升至一定高度時，備用空調(diào)及時啟動，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的雙冗余保障，大大提高了溫濕度控制系統(tǒng)的安全性。

2.7 預(yù)制艙電磁屏蔽

(1)預(yù)制艙艙體側(cè)壁、頂板采用全焊接結(jié)構(gòu)，底部鋪設(shè)防靜電地板，形成可靠的六面屏蔽體;電纜進線口縫隙使用導(dǎo)電泡棉封堵，形成整體屏蔽;艙體進出風口裝金屬網(wǎng)，保證開孔屏蔽性能。

(2)預(yù)制艙內(nèi)沿屏(柜)布置方向敷設(shè)專用接地銅排，每面屏體都應(yīng)設(shè)置接地點，并首末端聯(lián)接后構(gòu)成室內(nèi)等電位接地網(wǎng)。預(yù)制艙及其內(nèi)部設(shè)備在變電站內(nèi)完成工作接地、保護接地、防雷接地、防靜電接地。

2.8 預(yù)制艙屏柜布置方案

預(yù)制艙內(nèi)屏柜布置分為單列布置和雙列布置，其中雙列布置分為搖架式機柜雙列布置、前接線式雙列布置、雙列布置側(cè)開門(裝置背板朝外)，各有優(yōu)缺點。

(1)屏柜單列布置。預(yù)制艙內(nèi)沿長度方向布置1 列柜體，采用并柜聯(lián)接，其中，屏柜距預(yù)制艙背面距離為600 mm，作為維護通道，屏柜距預(yù)制艙前側(cè)距離大約為1 100 mm，用于調(diào)試、操作，預(yù)制艙柜體單列布置見圖7。

圖7 預(yù)制艙柜體單列布置Fig.7 Single row layout of precast chamber

屏柜單列布置的優(yōu)點是艙內(nèi)柜體可采用傳統(tǒng)設(shè)計，運維通道空間大，便于運維;缺點是不能有效利用艙體空間，艙內(nèi)可安裝的柜體數(shù)量少，不適用于柜體數(shù)量多的場合。

(2)搖架式屏柜雙列布置。搖架式機柜通過把二次設(shè)備布置于機柜門上，解決機柜單側(cè)開門所帶來的背面接線困難的問題，主要應(yīng)用于只有一側(cè)開門的機柜上。

在智能變電站中，裝置的輸入輸出主要采用光纖。搖架式屏柜柜門的每一次開關(guān)對光纜和接頭都有牽拉作用，影響光纖壽命和連接點牢固度，因此國內(nèi)智能站較少采用前開門屏柜方案，缺乏運行經(jīng)驗。

(3)前接線式屏柜雙列布置。二次設(shè)備前接線的方案是指艙體內(nèi)屏柜采用雙列靠墻布置，屏體在預(yù)制艙內(nèi)側(cè)開門，設(shè)備接線、液晶顯示及按鍵操作都在預(yù)制艙的內(nèi)側(cè)。該方案可充分利用預(yù)制艙的空間，實現(xiàn)單艙體安裝設(shè)備數(shù)量的最大化，很好地解決了艙內(nèi)屏體數(shù)量與運維空間的矛盾，預(yù)制艙柜體雙列布置如圖8 所示。

本方案主要基于以下原則:

1)液晶控制面板作為裝置的管理終端應(yīng)與裝置一一對應(yīng)，并由單獨的電源模塊供電，滿足二次設(shè)備在電磁兼容方面的技術(shù)要求;

2)液晶面板及指示燈的顯示應(yīng)直觀可視，滿足運行人員對二次設(shè)備巡視要求;

3)液晶面板操作及裝置接線應(yīng)便于操作和維護，滿足調(diào)試檢修人員對二次設(shè)備維護及操作的要求;

4)液晶控制面板與裝置連接應(yīng)可靠牢固。

圖8 預(yù)制艙柜體雙列布置Fig.8 Double row layout of precast chamber

(4)雙列布置側(cè)開門。艙內(nèi)屏柜采用普通規(guī)格，取消后門，機柜后部靠近艙體側(cè)壁，后方敞開，維護時打開艙體側(cè)門進行操作。其優(yōu)點是裝置的安裝組屏方式與現(xiàn)有習慣一致，機柜總體設(shè)計布線方式與現(xiàn)有產(chǎn)品一致;現(xiàn)有保護及測控裝置可繼續(xù)使用，無須調(diào)整(見圖9)。

圖9 雙列布置側(cè)開門Fig.9 Double row layout and side door of precast chamber

綜合考慮技術(shù)可靠性和先進性，重慶220 kV 大石變電站預(yù)制艙采用了前接線式屏柜雙列布置和雙列布置側(cè)開門相結(jié)合的方式，為優(yōu)化預(yù)制艙內(nèi)屏柜布置方案提供了實踐經(jīng)驗。

2.9 預(yù)制艙技術(shù)優(yōu)點

針對不同的使用要求，預(yù)制艙有各種形式，但就其產(chǎn)生的功用和對就地化二次設(shè)備的工作環(huán)境的保護而言，具備以下優(yōu)點:

(1)預(yù)制艙實現(xiàn)了“工廠化加工、裝配式建設(shè)”，減少了現(xiàn)場二次接線、調(diào)試、施工工作量，推進了現(xiàn)場機械化施工，縮短建設(shè)周期，提高了智能變電站建設(shè)效率。

(2)預(yù)制艙減少外部自然環(huán)境、機械環(huán)境對就地化二次設(shè)備的影響，具備良好的電磁屏蔽能力和接地性能，為就地化二次設(shè)備提供一個能夠正常工作的環(huán)境條件。

(3)預(yù)制艙為運維人員創(chuàng)造了一個良好的工作環(huán)境，有利于雨雪等惡劣天氣下對戶外設(shè)備進行維護。

3 結(jié) 論

本文總結(jié)了近年來智能變電站二次設(shè)備就地化防護技術(shù)現(xiàn)狀，研究了溫度、濕度、電磁干擾等對二次設(shè)備的干擾機制，綜合考慮可靠性和經(jīng)濟性，提出了一種預(yù)制艙防護技術(shù)方案。通過研究得到以下結(jié)論:

(1)預(yù)制艙防護技術(shù)方案的應(yīng)用將進一步推進智能變電站“標準化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的目標，具有結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟性高、防護好、可廠內(nèi)預(yù)制生產(chǎn)、施工周期短等特點;

(2)預(yù)制艙防護技術(shù)方案有效提高了智能變電站建設(shè)效率，降低了智能變電站建筑面積、工期、投資等指標，具備推廣應(yīng)用的價值。

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