王騰龍，叢樹安，李鐵民，孔繁武

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)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(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，智能變電站呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢(shì)，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(shè)備布置在一次設(shè)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(shè)備裝置正常運(yùn)行的要求[3-7]。但在我國的東北、西北及蒙東冬季嚴(yán)寒地區(qū)，冬季極端最低氣溫普遍在-40 ℃左右，個(gè)別地區(qū)接近-50 ℃，戶外智能控制柜存在無法保證安全運(yùn)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(yīng)于嚴(yán)寒及寒冷環(huán)境下戶外智能控制柜的溫控設(shè)計(jì)方案。本文基于ANSYS ICEPAK仿真平臺(tái)，建立三維模型，進(jìn)行了雙層柜體夾層中填充保溫材料情況下的仿真分析，對(duì)不同加熱模式進(jìn)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(duì)東北、西北及蒙東等冬季嚴(yán)寒地區(qū)已投運(yùn)變電站的調(diào)研，冬季戶外氣溫最低普遍在-40 ℃左右，個(gè)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(shè)備運(yùn)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(dān)50%，低溫情況下如有一套制熱器件損壞仍將可能影響到設(shè)備運(yùn)行。

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

2 溫控方案

2.1 夾層選用低導(dǎo)熱系數(shù)材料

根據(jù)戶外智能控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)一步降低柜體的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)的隔熱材料。針對(duì)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(duì)智能控制柜進(jìn)行熱力學(xué)仿真。

對(duì)各類保溫材料進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)聚氨酯材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低，防火性能高，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因此，建議對(duì)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(dāng)?shù)谋夭牧稀?/p>

仿真結(jié)果見圖1、圖2，當(dāng)柜體夾層填充了低導(dǎo)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(duì)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(fēng)機(jī)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(diǎn)，具體見表1。

表1 各溫控方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

風(fēng)機(jī)結(jié)合加熱器成本低、功耗低、由于設(shè)備簡單，制造工藝不復(fù)雜，相對(duì)而言設(shè)備可靠性高，但風(fēng)機(jī)需要通風(fēng)孔，存在熱量泄漏，氣流的攪動(dòng)使粉塵容易進(jìn)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(duì)較高，可靠性相對(duì)略低，但能保持柜體密閉，對(duì)低溫環(huán)境下的制熱有利?？照{(diào)制冷、制熱性能優(yōu)異，這也是空調(diào)最大的優(yōu)勢(shì)，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(hù)(補(bǔ)充制冷劑)、可靠性低等缺點(diǎn)。

通過分析，可根據(jù)工程實(shí)際情況，在嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)優(yōu)先采用熱交換器模式進(jìn)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(jìn)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(yīng)當(dāng)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，可采用兩種設(shè)計(jì)方案。 方案1：將空調(diào)或熱交換器完全雙重化配置，實(shí)現(xiàn)加熱容量的100%冗余。方案2：除了在機(jī)柜后方中部安裝空調(diào)、熱交換器外，還應(yīng)當(dāng)在機(jī)柜下方左右兩側(cè)各安裝1臺(tái)帶循環(huán)風(fēng)機(jī)的加熱器，實(shí)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(shí)后柜門打開，若雙套加熱設(shè)備同時(shí)失去作用，機(jī)柜將處于無加熱保護(hù)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(shí)后柜門打開，安裝于機(jī)柜下方的加熱器處于工作狀態(tài)，可對(duì)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(duì)機(jī)柜下方的線纜產(chǎn)生不利影響，建議加熱器配置風(fēng)機(jī)，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(shí)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(yùn)行控制可以采用以下兩種方案。方案1：正常時(shí)主加熱器件投入工作，備用加熱器不投入工作，當(dāng)智能控制柜柜門打開或主加熱器件故障時(shí)，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(shí)工作，按照設(shè)定溫度進(jìn)行自動(dòng)啟停，控制邏輯見圖4。

圖3 方案1主、備加熱器啟動(dòng)邏輯框圖

圖4 方案2主、備加熱器啟動(dòng)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(dòng)工作溫度，X和Y的溫度均可設(shè)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(shí)溫度降低的問題。兩種方案比較來看，方案1控制邏輯相對(duì)復(fù)雜，方案2控制邏輯簡單，但增大了站用電最大負(fù)荷。

慶南500 kV智能變電站隸屬黑龍江省大慶市，當(dāng)?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(fù)荷較大。下面以慶南500 kV智能變電站為例計(jì)算站用電負(fù)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(jì)算變電站本期夏季負(fù)荷292.25 kW，遠(yuǎn)期夏季負(fù)荷375 kW，本期冬季最大負(fù)荷為640.25 kW，遠(yuǎn)期冬季最大負(fù)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(yuǎn)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(yuǎn)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(fù)荷達(dá)到669.85 kW，遠(yuǎn)期工程站用電最大負(fù)荷達(dá)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(shí)主加熱器件投入工作，備用加熱器不投入工作，當(dāng)智能控制柜柜門打開或主加熱器件故障時(shí)，備用加熱器投入工作的方案。

表2 慶南智能變電站用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì) kW

對(duì)雙加熱器溫控方案下的雙艙智能控制柜進(jìn)行熱力學(xué)仿真，仿真結(jié)果見圖5，可見在外部環(huán)境溫度為-40 ℃時(shí)，柜內(nèi)溫度保持良好，完全滿足智能二次設(shè)備的運(yùn)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(hào)

目前智能控制柜內(nèi)普遍只提供溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而未提供溫度越限告警信號(hào)，不利于運(yùn)行監(jiān)視，因此，溫控器需進(jìn)一步完善如下功能：智能控制柜應(yīng)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(bào)警及梯度變化監(jiān)測報(bào)警功能，以便在溫度過高或過低及變化速度過快時(shí)能夠通知運(yùn)行人員。為提高可靠性，柜內(nèi)的溫控元件配置故障硬接點(diǎn)輸出信號(hào)。

3 結(jié)論

通過調(diào)研東北、西北及蒙東冬季嚴(yán)寒地區(qū)已投運(yùn)變電站現(xiàn)狀，針對(duì)在嚴(yán)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(shè)備安全運(yùn)行對(duì)溫度的要求，提出適應(yīng)于嚴(yán)寒及寒冷環(huán)境下戶外智能控制柜的溫控設(shè)計(jì)方案，通過仿真驗(yàn)證所構(gòu)建的智能控制柜溫控設(shè)計(jì)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(shè)備無法適應(yīng)嚴(yán)寒及寒冷運(yùn)行環(huán)境的問題，提高了嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)變電站的安全穩(wěn)定水平，對(duì)擴(kuò)大智能變電站通用設(shè)計(jì)在嚴(yán)寒及寒冷環(huán)境下的適用范圍有積極作用。