智能变电站户外智能控制柜设计研究

赵利军

摘 要：智能变电站中智能IED设备需户外就地安装，在主控室外，温度、湿度、日照、雨水等大气环境的影响以及一次设备带来的电磁干扰必须加以重视并进行充分的试验考核，设计户外智能控制柜就是要由柜体本身来承担和消除由这些差异带来对终端及保护等自动化装置不利影响，即必须为这些设备提供接近室内的工作环境，提供全方位的防护，从而保证自动化设备及其他普通電气设备在户外条件下的正常运转和工作。

关键词：智能变电站；户外柜；智能控制

1 成果特点

本设计课题是研究在智能变电站要求保护就地化安装的户外条件下，如何创造一个在保障现有的保护等安全、可靠地运行环境，就是要研究在户外使用的智能终端及保护等自动化装置与户内使用有着完全不同的条件差异。智能变电站中智能IED设备需户外就地安装，在主控室外，温度、湿度、日照、雨水等大气环境的影响以及一次设备带来的电磁干扰必须加以重视并进行充分的试验考核，设计户外智能控制柜就是要由柜体本身来承担和消除由这些差异带来对终端及保护等自动化装置不利影响，即必须为这些设备提供接近室内的工作环境，提供全方位的防护，从而保证自动化设备及其他普通电气设备在户外条件下的正常运转和工作。

本设计课题核心工作中户外智能控制柜采用双层壳体结构设计，有效的将机柜内部和外部的热量传递进行隔离，为后续的柜内环境控制设计和机柜防护设计打下了基础。采用了强迫通风散热设计和创新的机柜防护技术，以低成本的模式，即完成了高防护水平要求又完成了通风散热要求的同步实现，彻底解决了长期困扰结构设计的防护能力与通风散热这一对矛盾，使机柜的防护能力达到了IP56。

（1）户外柜采用防护水平IP56，EMC水平为2级；高性价比、低功耗的节能设计；全环境适应能力，能适应全国各地各种气候条件；完备的信息交互，顺应智能电网发展潮流；高可靠、免维护，为用户提供超值的应用价值和无后忧便利条件。

（2）双层柜体设计，既支持机柜的内部热交换并可以减少阳光照射的影响，也可以提高机柜的防护等级。机柜利用了在一般大气条件下，同为流体的空气和水在受地球重力影响不同的特性，在机柜上所有进、出风通道上，创新的设计了迷宫式多重防水（M型防水）技术，为机柜达到IP56的防护等级创造了条件。

（3）开创了用低成本、高可靠、低能耗的强迫风冷技术进行环境调节，同时能达到高的防护等级。目前国内外多采用的是高成本、低可靠、高能耗的空调和换热器技术。

（4）高可靠、高性价比的户外柜技术，为保护及智能单元等装置的安全运行提供了全方位的保障。透明化的智能信息交互，使运行人员在后台轻松获取户外柜系统的实时信息，简化了操作。自动化的滤网除尘系统，减少了现场运行人员的人力资源，降低了运行料耗和成本。

2 户外智能控制柜运行环境优化措施设计课题研究

中国的国土幅员辽阔，气候特征是气象万千，不同地域的环境条件差异很大。比如说中国北方冬天气温严寒，中国南方夏季高温日照灼热，西部的沙尘，东南部的潮湿和台风加强降雨等。另外空气中的污染物，像酸雨、盐雾、工业粉尘，以及电磁干扰，时刻都会对户外设备带来有害影响。因此，变电站户外智能控制柜就必须针对上述有害条件进行一体化整体设计，以达到保护柜内受保护的设备正常运行的目的。

另外，在和户外柜配合方面，也有一些值得研究的内容，比如智能温控系统要确保环境参数信息实时上传能力：智能温控装置对柜体内部环境温度、环境湿度，温控电源、风扇状态、加热除湿状态的实时监控和信息上传能力，保证运行人员能随时了解和记录柜体内部环境，并在风扇卡死或加热器损坏等故障情况下的时候采取人工干预措施等。综合概括有如下几个方面：

（1）高的防护等级：在不依赖额外的防护条件，仅通过通风散热，机柜就能为柜内的自动化设备提供IP56的防护等级，为柜内设备提供更加洁净的运行环境。机柜对柜内的温度控制满足下面第二条的要求，用简洁低成本的方式即满足高防护等级。

（2）智能化的柜内温度控制系统：机柜应用户外的极端自然环境温度-40℃～+45℃（同时伴有强烈日照）下，机柜须采取必要的隔热和通风散热措施，再配以柜内温度控制系统，有效地隔离柜内外热传导，并将柜内设备工作产生的热量及时排出柜外，应能使柜内环境温度在0℃～+45℃之间。

（3）高水平的EMC性能：机柜结构的EMC设计包括电磁屏蔽、功能性接地和静电放电防护。为了满足电气的抗干扰要求，机柜整体必须具备可靠接地的能力，并且机柜的整体电磁屏蔽性能要好。每个重要的设备之间必须用电磁屏蔽板隔开，电磁屏蔽板又必须与机柜间达成可靠的电气连接（即等电位要求）。

（4）持久的耐腐蚀和抗生化能力：机柜除了能隔离有害气体和物质进入机柜内部，还要阻止动物（啮齿动物、白蚁）与真菌进入机柜，保护功能设备免受这些生物的伤害。

（5）坚固耐用柜体和模块化的结构设计：机柜采用双层壳体设计，由内柜、防水顶盖、底座、双层侧板和双层前后柜门组成，柜体采用拼装与焊接混合式结构。柜门由多点铰链与机柜进行连接，柜门锁与柜体采用多点锁定。

（6）精良的制造工艺和美观大方的造型：好的设计还需经优良的加工工艺来保证，特别是不锈钢的加工及焊接工艺极为讲究。不锈钢板材在加工和焊接上要求比普通碳钢高而且难度大，尤其是用于机柜外表的不锈钢板是带装饰性的拉丝板，当采用免涂覆裸钢板的工艺方案后，则必须消除不锈钢板材的钣金加工痕迹，不锈钢焊缝不能影响板材的拉丝纹理。加工后的免涂覆不锈钢还必须做到能防灰尘和油污以及人手指印痕的污染，当产生了上述的污染后，应能轻易地去除。

图2户外柜强迫风冷环境控制工作原理。该型户外柜具有对外部环境一定的隔离功能，双层柜体设计，防尘、防水、防太阳辐射。其工作模式为，当柜内温度上升到某一温度时，柜内风扇启动，柜外新鲜空气经过滤后由机柜下层进入柜内，将柜内热气从机柜上部排出到柜外，使机柜内部的温湿度控制在一定范围内。

在抑止凝露的产生方面，特设计了集成在温控器内的温湿度传感器。凝露的发生机制是当含有较高湿气的空气，在周围环境降温时，水汽就会在提前冷却的金属表面凝结，此时是由湿气与环境温度共同影响凝露的产生。因此，只要适当地控制空气的湿度与环境温度的相关关系，即可解决凝露问题。例如在含有较高湿气的环境下，随着温度的降低，空气中的湿气汇渐渐趋向饱和状态，此时温湿度传感器探知凝露即将方式，自动接通柜内加热器，使湿气中的水分子应加热而重新回到活跃状态，终止了凝露的发生。同时，风机启动，将经加热的湿气排出柜外。

3 户外智能控制柜运行环境优化措施方案研究

目前国内外在智能户外柜的环境控制上有如下3个技术模式：（1）空调冷却技术；（2）热交换器技术；（3）强迫风冷技术。

上述方案在设计性能、运行可靠性、生产成本、节能环保、后期维护等方面存在较大差异。

3.1 空调冷却技术

空调的优点是温控效果好，可有效的将柜内温度控制在相对温度的状态。它是唯一一种能将智能柜内环境温度降得比周围大气温度低的模式，但其缺点是价格昂贵、能耗高，不符合当前绿色环保的科技主题。同时，空调有一定的损坏率，一般空调厂家对户外空调的质保承诺均为1年，如空调发生故障，不仅现场维护困难，且由于没有冗余设计，会使柜内温控系统失效，产生重大安全隐患。见图3。

3.2 热交换器技术

热交换器技术-此方案采用热交换器来进行对机柜内部工作环境进行调节，防护等级可做到IP66。但该方案的价格较高，能耗低，但其热交换散热效率低、热传递方向不受控。

特别是如果调试时空气湿度较大，则当柜门关闭后，潮湿的空气将始终在柜内循环，导致湿气无法散出柜外，当白天温度较高时，水蒸气溶解在空气中，而夜晚温度较低的情况下，潮湿的空气极易产生凝露现象，对柜内设备产生不利影响。

从图4中可以看出，热交换器式户外智能控制柜环境控制系统采用的二次循环，分为内循环和外循环，内外循环是相互隔离的。

在可靠性方面，负责驱动内、外循环的两个风扇电机，是属于串行工作模式的，当其中任何一只出现故障，整个系统就失效。

热交换器参数：换热系数为80W/Km2；外部环境温度39℃；装置功耗4X37.5W；太阳辐射1100W/m2

见图5所示，机柜內部上层空间的温度达到了74℃。

3.3 强迫风冷技术

强迫风冷散热技术是属于直接散热技术，他是将柜外冷空气直接输送到柜内，再将发热设备进行冷却后形成的热空气直接排除柜外。如图6所示

在这里最关键的是保证机柜进出空气的通风孔的防水和防尘设计上，同时还要做到空气过滤装置的自动除尘和免维护。

如图6所示：

从图6中可以看出，强迫风冷式户外智能控制柜环境控制系统是将柜外的冷空气直接吸入柜内，当然冷空气在进入机柜是已被过滤装置过滤了的。

在可靠性方面，负责驱动机柜顶部排气的两个风扇电机，是属于并行工作模式的，当其中任何一只出现故障，另一只可继续工作。而机柜在设计上就选定的只凭一台风扇，机柜即可正常工作。

见图7所示，机柜内部上层空间的温度仅有44℃。

3.4 结论

经过综合对比分析，选择的是强迫风冷技术。强迫风冷散热技术是属于直接散热技术，他是将柜外冷空气直接输送到柜内，再将发热设备进行冷却后形成的热空气直接排除柜外。

在这里最关键的是保证机柜进出空气通风孔的防水和防尘设计上，同时还要做到空气过滤装置的自动除尘和免维护。

4 相关配套技术

4.1 迷宫式多重防水户外机柜技术

由于空气与水受重力影响的不同特性，采用多重插指型防水结构，使得外部的水经过多次折射后无法流入柜顶的通风口，而是自机柜四周的泄水槽排除柜外。同时由于空气不受该结构的影响，仍可自由的排除柜外，从而达到防水的效果，经试验防护等级可达IP56，即可防止图示角度的猛烈喷水进入柜内。当出现风沙大，冰雪颗粒细小等极端气候条件时也可为柜内装置提供可靠的防护。

4.2 空气滤网积尘的自动除尘系统技术

智能化自动控制空气滤网积尘的除尘设计。具体是在滤网的指定位置，将由电源驱动的振动源所产生的振动作用在滤网上，振动源可由压电陶瓷、电磁线圈或带偏心块的电机等器件所组成。当提供振动源以一定的电力时，振动源驱动滤网产生振动。当滤网灰尘聚积到一定程度需除尘时，智能控制模块会接通滤网上的振动源的工作电源，振动源工作将聚积在滤网上的灰尘振落；智能控制模块适时地控制风机以提供反向气流，将振落的灰尘吹离滤网，从而达到除尘效果。智能化自动控制空气滤网积尘的除尘系统有如下两种控制模式。（1）开环控制，既在智能控制模块中预先设定除尘时间控制程序，振动源会按程序的设定起动，风机工作状态也会按程序的设定进行调整。（2）闭环控制。在滤网上（或周围）安置空气流量探头或灰尘感应器，当这些传感器探查到灰尘聚积到一定程度时，智能控制模块就会起动振动源和改变风机工作状态。（3）新的空气滤网积尘的除尘设计就是滤网（棉、器）自身的智能自动化除尘，实现了滤网的免维护和免更换，除尘效果好，达到了节省人力资源和材料的目的。

4.3 完备的信息交互能力

创新的智能温控装置设计，对柜体内部环境温度、环境湿度，温控电源、风扇状态、加热除湿状态的实时监控和信息上传能力，保证运行人员在后台能随时了解和记录柜体内部环境，实现了机柜及柜内工作环境及工作状态的后台可视化。