户外智能控制柜环境适应性研究

周亚龙，娄 悦，朱东升，袁涤非，黄 河

(1. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102；2.国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 211106；3.国网江苏省电力公司，江苏 南京 210024)

户外智能控制柜环境适应性研究

周亚龙，娄 悦1，朱东升1，袁涤非2，黄 河3

(1. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102；2.国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 211106；3.国网江苏省电力公司，江苏 南京 210024)

随着智能变电站的大规模推广，户外智能控制柜得到广泛应用。为了保证柜内智能设备在户外高温高湿、多风沙、电磁干扰等恶劣环境下的正常运行，智能控制柜必须解决温湿度控制、柜体防护和电磁屏蔽等环境适应性问题。本文通过多种智能控制柜温湿度控制方案比选，根据不同环境特点给出方案选型结论；针对柜体防护设计，阐述柜体结构、材料、密封和风道设计方案和选型依据；并给出户外智能控制柜电磁屏蔽设计思路和具体措施，旨在为今后户外智能控制柜环境适应性方案设计提供借鉴。关键词：智能变电站;户外智能控制柜;环境适应性;方案选型。

1 概述

在智能变电站中，智能控制柜为柜内智能组件设备提供雨水、尘土、酸雾、电磁骚扰等的防护，并提供电源、电气接口及温、湿度控制、照明等设施，保证智能组件的安全运行。当采用户外配电装置时，户外的温、湿度和电磁环境远比室内恶劣，智能控制柜作为智能组件设备的主要宿主设备，应尽可能由柜体本身承担和消除外界环境对智能设备带来的不利影响，为智能设备提供全方位的防护。智能控制柜对恶劣环境的适应能力对柜内智能设备的可靠运行有重要作用。

中国的国土幅员辽阔，气候特征多样，不同地域的环境条件、空气中的污染物，像酸雨、盐雾、工业粉尘，以及电磁干扰程度也有较大的差异，因此需要结合地区环境，因地制宜地开展户外智能控制柜的环境适应性研究。

2 温湿度控制方案

智能变电站正常运行离不开大量高精度控制模块及各类电子元器件的稳定工作。电子元器件失效的原因主要包括：(1)衬板连接处的热疲劳；(2)机械振动；(3)潮湿环境的化学腐蚀，见图1。智能设备因固定安装在智能控制柜中，受机械振动影响较小，但受户外高温、光照强度大、光照时间长等环境影响，在密封性较强的控制柜内，容易出现温度过高的情况，影响设备的控制精度和稳定性，可能造成装置误动、拒动，导致事故扩大。另外，过低的环境温度和潮湿环境也会对设备器件造成一定影响。因此，设计具有智能调控工作环境温湿度能力的户外智能控制柜，是保证系统稳定运行的关键。

目前，户外智能控制柜温湿度控制技术主要有区域集中式温湿度调控系统和分散伴随式温湿度调节技术两大类。

2.1 区域集中式温湿度调控系统

该系统采用集中控制系统，双重化主机布置在场地上，通过输送管道配送低温新风至各智能控制柜，主管道一般布置在电缆沟内，通过分支分管与各智能控制柜连接，分支风管设有防火阀，智能控制柜外壳顶部设置通风止回阀，柜内高温时系统运行以降低智能控制柜内环境温度，柜内低温或湿度增加时，防火阀和止回阀关闭，智能控制柜内驱潮加热装置运行。该系统主要优点是系统可靠性好，温度集中化控制，平均能耗较小，日常运行维护也比较方便；但该系统防护等级较低，灰尘、风沙、湿气及腐蚀性气体容易进入机柜内部。区域集中式温度调控系统见图3。

图1 电子元器件失效原因

图2 电力设备失效与工作温度关系

图3 区域集中式温湿度调控系统图

2.2 分散伴随式温湿度调节技术

目前户外智能控制柜分散伴随式温湿度调节技术主要有三种方式：(1)空调技术；(2)热交换器技术；(3)强迫风冷技术。

(1)空调技术

空调的散热是利用制冷剂产生的化学反应进行降温，通过化学能的转换，控制柜内的温度可以始终恒定在一定范围内。冷凝器与空气的热交换在柜外进行，而蒸发器与空气的热交换则在柜内循环进行，因此机柜柜体防护等级高，能阻止灰尘、湿气及腐蚀性气体进入机柜内部。此外，空调具备加热和除湿功能，柜内不会出现凝露。但空调有一定的损坏率，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，产生较大的安全隐患。

(2)热交换器技术

热交换器的工作是利用热传导原理，通过导热率很高介质将一边物体的热量传递给另一边的物体。通过热交换器两侧的风扇制造的空气流动和导热介质，进行两侧的热量交换，其热量交换是双向交换，即热量由高温区域向低温区域转移，柜内最高温度可控制为柜外温度+10℃左右。热交换器的工作换热介质的两侧空气互不接触，可将柜体设计为全密封的结构，使机柜的防护等级达到较高的水平，具有很强的防风沙能力，但热交换器采用密闭式的结构，不利于防止凝露的发生。

(3)强迫风冷技术

强迫风冷散热技术是属于直接散热技术，该技术是将柜外冷空气直接输送到柜内，再将发热设备冷却后形成的热空气直接排除柜外，具有结构简单，体积小，安装维护方便，能耗小等特点。由于多个风机工作在并行模式下，可靠性大大增强。但该技术防护等级低，灰尘风沙、湿气及腐蚀性气体进入机柜内部，容易积聚粉尘等污垢，并污染柜内的元器件，进而加剧元器件热导效应。

2.3 方案对比及选型分析

分散伴随式智能控制柜温湿度控制技术方案与区域集中式智能控制柜温湿度调控系统技术方案在设计性能、可靠性、成本、抗风沙能力、施工复杂度等方面存在较大的差异，两类系统综合性能对比见表1。

表1 户外智能控制柜温湿度控制技术综合性能对比

在正常高温地区，无沙尘、盐雾等极端环境、气候条件时，推荐采用强迫风冷技术或集中调控技术方案，具有成本低、能耗低、散热除湿性能良好、维护简便的特点，符合节能环保、低碳节约的设计理念；在气候不炎热，存在沙尘或盐雾等极端环境、气候条件时，为了保证柜内环境、空气独立于外部恶劣的环境，建议采用热交换器柜；在气候极端炎热，正常通风散热无法满足柜内设备运行环境要求时，可采用空调技术。

3 柜体防护设计

户外智能控制柜柜体的防护设计首先要满足强度设计要求和电气设备安装要求，同时还要满足保温隔热、通风散热、防水、防潮、防霉、防腐蚀、防电磁干扰及提供内外电气连接通道的要求。此外，针对不同的温湿度控制方案，柜体的防护需要进行针对性设计，对于空调和热交换器技术方案，由于柜体内外热循环隔离，柜体防护需要考虑全密封设计；对于强制风冷技术和集中调控技术方案，防护设计需要特别针对进出风道的防水、防尘性能和免维护设计进行研究。

3.1 柜体结构设计

(1)柜体机构形式

智能控制柜(见图4)基本结构由内柜、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，关上门从外面看不见螺钉。侧面板覆盖机柜及底座，消除了用强制性措施进入机柜的弱点。前后门与门框之间采用了密封材料保证了门具有良好的密封性能。

图4 柜体结构示意图

(2)柜体材料选型

柜体材料可采用耐候钢、铝板、不锈钢。以下对耐候钢、铝板、不锈钢等材料从技术和经济两方面进行综合比较，见表2。

表2 侧板材料性价对比

相对于铝板，不锈钢和耐候钢具备强度大、价格低、焊接性能好、加工方便、耐腐蚀性能较好、表面处理工艺成熟等特点，适宜作为柜体材料。结合现场情况，对条件地区恶劣，易腐蚀地区，建议采用不锈钢作为柜体材料；对地区条件相对温和、并考虑经济性的情况下，可采用耐候钢作为柜体材料。

3.2 柜体密封设计

(1)双门结构设计

户外智能控制柜单个柜门在长期使用过程中，密封圈处不断的堆积粉尘，受到腐蚀的同时，在柜门开合过程中，堆积的粉尘在没有密封的情况下进入柜体。本文推荐在风沙较大的区域，智能控制柜采用双门结构为柜内智能设备提供双重保障，柜体简单维护仅需打开外门进行，柜体密封性能和防风沙能力得到有效提升。

(2)PU发泡密封

柜门及柜体各侧板的缝隙也是风沙进入的主要渠道，应采取先进的密封技术，以提高柜体的防护等级。传统型密封条一般用橡胶材质制造，这种材料易老化、弹性差，受环境温度的制约特别大。本文推荐采用新一代包覆式PU发泡密封条和点胶技术，机柜的防护等级可达IP66。

(3)进出线缆通道密封设计

在机柜的下部，一般设有数个用于电缆、光缆的进出线的通道，该通道也是高防护水平机柜的重点关注对象。本文采用宝塔形进出线橡胶护圈，利用该护圈宝塔的锥形，用裁纸刀在不同的宽度切一圈，可得到不同直径圆形切口以匹配不同直径的线缆，并利用橡胶的弹性，紧紧包裹住线缆起到密封的作用，可有效防止啮齿动物、白蚁等有害动物的侵入。

3.3 风道设计

(1)风道防水设计

根据空气与水受重力影响的不同特性，推荐采用多重插指迷宫型防水结构，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。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，迷宫式多重防水示意图见图5。

图5 迷宫式多重防水示意图

(2)风道防尘设计

在上述良好防水的基础上，在远离水汽影响的风道内侧，再加上一层防尘滤棉，该滤棉的作用就是将固体类的颗粒、化学物质和生物等阻挡在机柜外部。过滤棉采用进口聚酯纤维过滤材料制成，用内外溶点不同的纤维在空间交错排列，无定向三维结构，纤维结合紧密，抗短裂，不易脱落。

(3)风道免维护设计

在风道中设置的空气滤网在工作一段时间后会积聚灰尘，如不及时清理，直接影响风冷系统的散热效果。本文推荐一种智能化空气滤网自动除尘技术，通过电源驱动的振动源将振动作用在滤网上，同时通过电机反转将振落的灰尘清除。该系统可以通过配置灰尘传感器或空气流量探头等传感设备，实现空气滤网自动除尘的闭环控制，实现了滤网的免维护和免更换，除尘效果好。

4 电磁兼容设计

为保证电子设备在控制柜内正常工作，需要进行电磁防护设计。根据电磁干扰形成的三要素，可以通过屏蔽、滤波、接地、隔离等手段抑制电磁干扰源与敏感对象间的电磁能量耦合，有效削弱了电磁干扰对敏感对象的影响。

4.1 柜体等电位设计

由于户外智能控制柜露天安装，柜体是柜内设备的第一道屏蔽层。屏蔽体的电连续性是影响结构件屏蔽效能最主要的因素，即保持整个柜体外壳的电连续性是设备舱电磁屏蔽的关键因素。机柜结构所有外露的可导电部分实现导电性互连并可靠接地，各接点的接触电阻不应大于0.1 Ω，屏蔽机柜的缝隙和电缆进出口宜选用合适的电磁密封材料来减少电磁泄漏。

4.2 柜体孔洞屏蔽

结构方面影响孔洞屏蔽效能的因素主要有：孔的最大尺寸、孔的深度、孔间距以及孔的数量，其中影响最大的是孔的最大尺寸和孔的深度。屏蔽效能只与孔的最大尺寸有关，而与孔的面积并没有直接关系，因此在柜体通风口的屏蔽罩上开圆孔，在最大限度增大通风面积的前提下尽量减少孔的最大尺寸。

通风孔的屏蔽主要需要均衡通风与散热之间的矛盾，通风板的常用类型有穿孔金属板和波导通风板。穿孔金属板的屏蔽效能不超过30～40 dB，铝制波导通风板的屏蔽效能一般可以达到60～70 dB，而钢制波导通风板的屏蔽效能则可以达到90～100 dB，可根据实际工程需要选择不同类型的通风板。

4.3 缆线的屏蔽

线缆的处理对智能控制柜的屏蔽有至关重要的关系，往往比柜体本身的屏蔽还要重要，因此智能控制柜的电缆应当采用屏蔽电缆，进出屏柜时采用集中式连接器转接。这种方式对连接器的屏蔽效能要求较高，如选用屏蔽效能高的连接器，则能起到很好的屏蔽效果。建议选用全金属外壳的圆形光、电连接器，可起到很好的屏蔽效果。

5 结论

本文主要从户外智能控制柜温湿度控制技术、柜体防护设计和电磁屏蔽设计三个方面进行研究，旨在因地制宜地给出户外智能控制柜环境适应性解决方案，提升智能控制柜在防护等级、温湿度控制、防电磁干扰、节能环保等环境适应性能。文章分析了区域集中式温湿度调控系统和分散伴随式温湿度调节技术两大类温湿度控制方案特点，为智能控制柜温湿度控制方案选型提供依据；从柜体结构、柜体密封和风道设计三方面阐述柜体防护方案和选型方法并给出户外智能控制柜电磁屏蔽设计思路和具体措施，为今后智能控制柜环境适应性方案设计提供借鉴。

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Research on the Environment Adaptability of Outdoor Intelligent Control Cabinet in Intelligent Substation

ZHOU Ya-long1, LOU Yue1, ZHU Dong-sheng1, YUAN Di-fei2, HUANG He3
1. China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co.,Ltd, NanJing 211102, China; 2. GuoDian NanJing Automation Co.,Ltd, NanJing 211102, China; 3. State Grid Jiangsu Electric Power Company, NanJing 210024, China)

With the large-scale promotion of intelligent substation, outdoor intelligent control cabinet is widely used, for outdoor high temperature and high humidity, wind, electromagnetic interference and other harsh environment,The intelligent control cabinet must provide the intelligent devices in the cabinet with a good operating environment, to settle environmental adaptability issues like temperature and humidity control, cabinet protecting and electromagnetic shielding . This paper introduces a variety of intelligent control cabinet temperature and humidity control scheme and provides scheme selection according to different environmental features ; As for cabinet protecting design, the paper gives a elaboration of cabinet structure, material, sealing and duct design scheme and the basis for selection and gives design ideas and concrete measures for electromagnetic shielding of outdoor intelligent control cabinet , to provide a reference for the scheme design of outdoor intelligent control cabinet environment adaptability in the future.

intelligent substation; outdoor intelligent control cabinet; environment adaptability; scheme selection.

TM63

：B

：1671-9913(2017)01-0050-05

2015-11-12

周亚龙(1989- ) ，男，河北邢台人，硕士，工程师，主要从事电力系统二次设计和研究工作。