电气设备组件柜降温措施优化研究

杜镇安，陈 可，周 凡，陈 堃，叶庞琪，洪梅子

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国网荆门供电公司，湖北 荆门 448000）

0 引言

随着智能变电站和智能配电网建设的快速推进，越来越多的微机型电气设备就地布置于电气设备组件柜中，面临高温、高湿的恶劣运行环境[1]。在电网的实际运行维护中，电气设备组件柜温湿度控制系统存在诸多问题，包括制冷效果不满足运行要求、局部过热点温度超过标准规定、凝露现象时有发生。特别是，电气设备组件柜内温度高和湿度高可能引起智能二次设备短时危急、短时严重、长期隐患等各种类型的缺陷和故障[2]，最终影响电网安全运行。

目前在运电气设备组件柜（例如智能变电站智能控制柜和配电箱）在温度控制方面存在的主要问题是柜内电气设备温度过高[3]。因而目前实际运行中对温度控制的主要需求体现在对电气设备进行降温这方面，尤其在夏季高温气候条件下这种需求格外突出[4]。为改善电气设备组件柜内微机型电气设备运行环境，进一步保障电网安全运行，本文针对电气设备组件柜的降温措施进行分析和研究，提出了优化改进措施，并通过变电站运行数据验证了措施的有效性，对优化改进措施在实际运行中的应用提出了合理建议。

1 热能传递的三种基本方式

微机型电气设备中大量使用集成电路，在运行过程中会不断的产生热量。为了保证电气设备的可靠性，需要合理地对电气设备进行散热，将热量从电气设备传递到周围环境中，使其运行在合理的温度环境中。热能的传递有三种基本方式：热传导、热对流与热辐射[5]，分别简述如下。其中，在电气设备组件柜中，笔者关注的是热对流中的对流传热。

1.1 热辐射

物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射传热。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。

自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递——辐射传热，也称为辐射换热。

导热、对流这两种热量传递方式只在有物质存在的条件下才能实现，而热辐射可以在真空中传递，而且实际上在真空中辐射能的传递最有效。这是热辐射区别于导热、对流传热的基本特点。

1.2 热传导

物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导，简称导热。例如，固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，以及温度较高的固体把热量传递给与之接触的温度较低的另一固体都是导热现象。

1.3 热对流

热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而热对流必然伴随着热传导现象。工程上特别感兴趣的是流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程，并称之为对流传热，以区别一般意义上的热对流。

就引起流动的原因而论，对流传热可区分为自然对流和强制对流两大类。自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的，暖气片表面附近受热空气向上流动就是一个例子。如果流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的，则称为强制对流。风机驱动空气在电气设备表面流动，就属于强制对流。另外，工程上还常遇到液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流传热问题，分别简称为沸腾传热及凝结传热，它们是伴随有相变的对流传热。

1.4 电气设备组件柜热能传递方式

电气设备组件柜在运行过程中，热辐射、热传导和热对流三种方式均存在。

电气设备组件柜的热辐射传热方式，在白天有太阳的天气条件下，主要是柜体和柜外空气接收太阳辐射的热量，然后通过热辐射的方式向柜内传递；在夜晚时，柜外空气温度较低，这时热量主要是通过热辐射的方式从柜内向柜外传递。在夏季晴朗天气下，通过热辐射方式向柜内传递的热量，是柜内主要的热量来源之一。本文不讨论热辐射方式传热量的控制措施优化思路。

电气设备组件柜的热传导传热方式，热量总是从温度较高的一侧传向温度较低的一侧。一般而言，柜内空气温度比柜外空气温度高，此时柜内部分热量通过热传导方式向柜外传递。但是，通过热传导方式传递的热量较少，在分析电气设备组件柜热量传递的过程中可不予考虑。

电气设备组件柜的热对流传导方式，通过驱动柜内空气在电气设备表面流动，从电气设备表面带走热量，然后再将柜内空气的热量传递到柜外，属于上述1.3节热对流方式中的强制对流传热。这种强制对流传热方式，是目前电气设备组件柜温度控制系统采用的主要降温方式，本文针对强制对流传热方式对降温措施开展优化研究。

2 电气设备组件柜的强制对流传热分析

目前，在运电气设备组件柜一般均采用强制对流传热方式，根据设备的原理不同，主要有风扇、热交换器和空调三种方式。这三种方式都是通过驱动柜内空气流通实现对电气设备的降温处理。

精确的计算电气设备组件柜内强制对流所传递的热量需要考虑很多因素，本文在进行优化措施研究时，采用如下的简化分析。

图1 电气设备强制对流传热示意图Fig.1 Schematic diagram of forced convection heat transfer of electrical equipment

如图1所示，在传热过程稳定后，电气设备D的温度为T0，其单位时间的发热量为Q0t，单位时间流过电气设备D表面的冷却空气流量为St，冷却空气的初始温度为T1。当传热过程稳定时，单位时间内电气设备D发出的热量Q0t等于冷却空气带走的热量Qt，进一步的，冷却空气带走的热量Qt与冷却空气的流量和初始温度正相关，即

式中A为传热系数，其值与流体的物理性质以及换热表面的形状、大小与布置等众多因素均有关系。在传热过程稳定后，该值是确定的。

从中可以知道，在不改变电气设备自身的发热量的情况下，如果想降低电气设备自身的温度T0，有两种优化思路，一是增大冷却空气流量，单位时间内让更多的空气流过电气设备表面，此时St增大，T1不变的情况下T0下降；二是降低冷却空气的初始温度T1，用温度更低的空气去冷却电气设备，此时St不变，T1降低时T0也降低。

本文所述电气设备组件柜降温优化措施，从上述两种思路出发，进行了优化措施的探讨和实际验证。

3 两种优化措施分析及验证

2017年6～7月份，本项目在220 kV某智能变电站选取了3个间隔，进行了电气设备组件柜降温措施优化研究的现场试验，变电站位于黄石市灵乡镇。其中111间隔智能控制柜采用空调方式，称为空调柜；112间隔智能控制柜采用风扇方式，称为风扇柜，120间隔智能控制柜采用热交换器方式，称为热交换器柜。三个智能控制柜中，均在电气设备（智能终端）的背板表面放置了温度传感器，测量并记录电气设备表面的温度值。在第一阶段（6月1～20日）和第二阶段（6月23日～7月16日）中测量得到三个柜子柜内最高温度如表1和表2所示。

表1 第一阶段柜内最高温度监测数据（单位：℃）Tab.1 The highest temperature monitoring data in the first stage（unit：℃）

3.1 增大冷却空气流量措施的现场验证

在增大冷却空气流量措施的现场验证试验中，采用热交换器柜作为对比柜，整个实验过程中未对该柜进行更改，通过比较风扇柜在增大冷却空气流量（增大风扇工作功率）前后与热交换器柜的最高温度差异，判断增大冷却空气流量措施是否起到了降低电气设备温度的效果。

第一阶段试验时间为6月1日～20日，第二阶段试验时间为6月23日～7月16日，6月21日和22日对风扇柜的风扇进行调整，增大了风扇的工作功率，增加了风扇的吹风量。根据表1中第一阶段连续20 d的监测数据，风扇柜的最高温度平均比热交换器柜低1.7℃。根据表2中第二阶段连续24 d的监测数据，风扇柜最高温度平均比热交换器柜低4.2℃。可知增加了风扇的工作功率后，平均而言风扇柜电气设备表面的最高温度下降了2.5℃。

根据上述测量数据，笔者认为采用增加冷却空气流量的措施（增大风扇工作功率是一种措施），可以起到降低柜内电气设备温度的效果。

表2 第二阶段柜内最高温度监测数据（单位：℃）Tab.2 The highest temperature monitoring data in the second stage（unit：℃）

3.2 降低冷却空气初始温度措施的现场验证

在降低冷却空气初始温度措施的现场验证试验中，采用比较空调柜和热交换器柜的最高温度的方式开展。空调柜和热交换器柜采用同一厂家的温控设备，其中空调和热交换器的功率相同。

本次试验中，第一阶段20 d中空调柜最高温度平均比热交换器柜低7.1℃，第二阶段24 d中空调柜最高温度平均比热交换器柜低7.5℃，两阶段平均来看，空调柜最高温度平均比热交换器柜低7.3℃。

根据本次试验的监测数据，空调柜和热交换器柜在冷却空气流量相同的情况下，空调柜采用了控制冷却空气初始温度的措施，其柜内最高温度平均比热交换器柜低7.3℃。因此，采用降低冷却空气初始温度的措施（选用用空调设备是一种措施），可以起到降低电气设备温度的效果。

4 两种优化措施的实际应用方式分析

从表1和表2的数据，可知这两种温度控制优化措施均可以降低柜内电气设备温度，在实际的应用过程中，还应综合考虑两种措施的有机结合，才能达到最好的温控效果。对此，本文从如下两个方面进行分析。

4.1 降温效果的可控性

当仅采用增大冷却空气流量措施而不采用降低冷却空气初始温度措施时，会存在降温效果不可控的现象。

风扇通风、热交换器和空调本质上都是通过电气设备附近的空气流通带走电气设备的热量，风扇通风和热交换器这两种冷却方式和空调的区别还在于，空调可以控制冷却气流的初始温度，而风扇通风和热交换器不能控制。也就是说，风扇方式和热交换器方式仅能增大冷却空气流量、不能控制冷却空气初始温度，而空调既能增大冷却空气流量又能控制冷却空气初始温度。

风扇通风是直接将柜外的空气引入柜内，由于柜外空气温度比柜内电气设备低，柜外进入的冷空气吸收电气设备的热量后被排出到柜外，这个过程中电气设备的热量被排到柜外，温度得到降低。从风扇通风的工作原理可知，从柜外引入柜内的空气的温度，就是电气设备冷却气流的初始温度。这个初始温度由电气设备组件柜所处的环境决定，柜内的温度控制措施无法降低该温度。

热交换器不是将柜外空气直接引入柜内，而是通过散热片等换热设备将柜内热空气的热量传递给柜外空气，柜内热空气通过散热片后变成冷空气。这里流出散热片的冷空气的温度就是电气设备冷却气流的初始温度，从热交换器的工作原理可知，这个初始温度等于柜外空气的温度加上一个正温度差，无论散热片的换热效果多高，柜内流出散热片的冷空气温度一定高于柜外环境空气温度。因此，热交换器方式下，冷却气流的初始温度与柜外空气温度强相关，而且一定高于柜外空气温度。

从上述分析中可知，当仅采用增大冷却空气流量措施时（例如风扇方式和热交换器方式），柜内电气设备的降温效果与柜外的环境温度关系很大，当柜外环境温度较高时，单一采用增大流量措施并不能使柜内电气设备的温度降至合理的范围。根据表1和表2的实测数据，将两个阶段中3个柜子最高温度的最大值和最小值整理成如表3所示。

表3 三个柜子最高温度的最大值和最小值（单位：℃）Tab.3 Maximum and minimum values of maximum temperature for three cabinets（unit：℃）

从表3可知，热交换器柜内最高温度可到47.6℃，风扇柜在第二阶段试验中柜内最高温度为43.9℃，可见部分日期时，风扇柜和热交换器柜内最高温度依然较高。相比之下，空调方式由于同时采用两种优化措施，其柜内电气设备的降温效果比较可控。根据表3的数据，空调柜在试验日期内柜内最高温度为37.4℃，远远低于风扇柜和热交换器柜。

除了对比最高温度的峰值外，降温效果的可控性还反应在不同日期最高温度值之间的差异。如果这个差异小，说明可控性强，如果这个差异大，说明可控性弱。从表3的数据中可以看到，空调柜在第一阶段的最高温度波动幅度为1.9℃，远小于风扇柜的9.8℃和热交换器柜的7.9℃；空调柜在第二阶段的最高温度波动幅度为2.6℃，远小于风扇柜的9.3℃和热交换器柜的10.4℃。将表1和表2的数据转化成曲线如图2和图3所示，从图中可以直观感受到，空调柜不同日期最高温度值的变化范围明显小于风扇柜和热交换器柜。

图2 第一阶段3个柜子日最高温度曲线图Fig.2 The highest temperature curve of the 3 cabinets in the first stage

图3 第二阶段3个柜子日最高温度曲线图Fig.3 The highest temperature curve of 3 cabinets in the second stage

综上所述，同时采用两种措施时降温效果可控性明显强于单纯采用增大流量措施时的可控性。在实际应用中，应将两种措施有机结合统筹利用，以增强电气设备降温效果的可控性。

4.2 避免电气设备温度剧烈变化

如果在电气设备需要降温时，仅采用控制冷却空气初始温度措施、不采用增大冷却空气流量措施时，可能存在因控制不当导致电气设备温度剧烈变化，而对电气设备产生不良影响。

当温度过低的冷却空气直接流向温度较高的电气设备时，电气设备短时间内会经历温度的骤降，剧烈的温度变化对电气设备产生最直接的影响就是机械力的作用。例如，由于温度骤降，在设备内部结构中产生应力应变，可能因此导致弯曲变形、裂纹或断裂热疲劳失效；电气设备内含有各种不同的材料，不同结构材料热膨胀系数的差异，在温度骤降时会在不同材料界面产生张应力和压应力，导致材料界面出现分层、裂纹、拉脱失效。温度骤降主要影响电子产品的焊点、粘结界面、通孔、接插界面等部位的可靠性。

一般而言，电气设备组件柜的空调机设置为，柜内温度高于35℃启动制冷，温度低于25℃时停止制冷。制冷时，温度较低的冷却空气从空调的出风口进入柜体内，冷空气吸收柜内热量后成为热空气，热空气从空调的抽风口进入空调机，完成一个柜内空气循环。当空调机的参数设置不合理时，从出风口进入柜内的冷却空气温度可低至5～10℃，若此时柜内温度为35℃，则冷却空气初始温度和柜内空气温度的差值在25～30℃之间，若考虑到电气设备的温度一般高于柜内空气温度，则冷却空气初始温度和电气设备的温度差值可能达到35～40℃。这种温度过低的冷却空气会迅速降低柜内空气温度和电气设备温度。当柜内温度降低至25℃以下时，空调机停止制冷，柜内电气设备和空气温度上升，上升至35℃以上时，重复该制冷过程。因而，当空调出风温度过低时，柜内电气设备将一直处于“剧烈降温——升温——剧烈降温”的循环过程中，这将导致剧烈降温时机械应力对电气设备产生的危害将不断累积，最终影响电气设备运行的可靠性。根据现场实测，空调柜1 h可发生温度循环过程2～4次，则1 d内可发生温度循环过程48～96次。

为避免短时剧烈温度变化对电气设备的不良影响，空调机应控制冷却空气的初始温度和电气设备温度之间的差异不应过大，本文建议差值在10℃以内。当需要增大制冷效果时，应统筹利用增大冷却空气流量和降低冷却空气初始温度的措施，先增大流量，待电气设备温度有所降低后再合理降低冷却空气初始温度。

5 结语

本文针对目前电气设备组件柜普遍存在的电气设备温度过高现象，从强制对流传热的原理出发，提出了增大冷却空气流量和降低冷却空气初始温度的优化措施，并在220 kV某变电站中对两项措施进行了实际验证，验证结果显示两项措施均可有效降低柜内电气设备温度。本文还对单一采用两种优化措施可能带来的不良影响进行了分析，从增强降温效果可控性和避免电气设备温度剧烈变化两个方面出发，指出应将两项优化措施有机结合统筹利用，才能取得合理的降温效果。

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