户外电气设备组件柜温湿度控制技术研究

汪 洋，王成智,杜镇安，洪梅子，刘 军,陈建民

（1.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；3.深圳市英维克科技股份有限公司，广东 深圳 518100）

户外电气设备组件柜温湿度控制技术研究

汪 洋1，王成智1,杜镇安2，洪梅子2，刘 军3,陈建民3

（1.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；3.深圳市英维克科技股份有限公司，广东 深圳 518100）

随着智能电网的快速发展，越来越多的微机型智能电气设备就地安装于户外电气设备组件柜中，内部温湿度控制的合理性直接影响设备的安全稳定运行。分析了户外柜内温度和湿度的影响因素，提出了空调型电气设备组件柜的湿度控制优化方案，并针对空调型的电气设备组件柜进行了深入的分析，结合现场的测试数据进行论证，明确了方案的可行性。通过分析确定合理的空调选型方法，为后续空调的选型提供了参考依据。

智能电网；户外电气设备组件柜；温度；湿度

0 引言

随着智能电网的快速发展，越来越多的微机型智能电气设备（以下简称智能设备）由户内屏柜安装形式转变为户外电气设备组件柜安装形式[1-2]，电气设备运行环境受户外环境影响的程度显著增强，需要对柜内微环境进行温度控制、湿度控制、防凝露处理等综合治理。本文针对温度控制方面，分析了影响户外电气设备组件柜（以下简称户外柜）柜内温度和湿度的主要因素，研究了空调型温湿度控制系统选型方法。

户外柜在无遮挡的情况下，受到太阳辐射以及设备本身耗散的热量作用使得密封机柜内部的温度有可能超出设备允许的范围，装置长时间在超高温环境下运行，会降低元器件的性能以及寿命[3-4]，进而导致装置故障，降低整个二次系统的稳定性，甚至造成重大安全事故。随着户外柜国家标准《电力系统继电保护及安全自动装置户外柜通用技术条件》（GB/T 34125-2017）的发布，采用空调型温湿度控制系统的户外柜越来越多。合理的选择空调功率非常重要，功率太小制冷量无法保证，功率过大，在空调启动的瞬间对柜内的湿度冲击较大。因此，对户外电气设备组件柜空调散热进行研究是很有意义的。

1 影响户外柜柜内温度的主要因素

1.1 太阳辐射对户外柜的影响及改善措施

对户外柜而言，太阳辐射是其热设计必须考虑的重要一环[5-7]。当太阳射线照射到户外柜表面时，一部分被吸收，一部分被反射，二者的比例取决于表面材料的种类、粗糙度和颜色，表面越粗糙、颜色越深，吸收的太阳辐射热量越多。同一材料对于不同波长的辐射光的吸收率也是不同的，黑色表面对各种波长的辐射几乎全部吸收，而白色表面对不同波长的吸收率不同，对于可见光几乎90%都反射回去。所以户外柜表面最好为白色和相近色，以减少进入户外柜内部的太阳辐射热。表1列举了常用户外柜材料及表面颜色的吸收率。

表1 不同表面太阳辐射吸收率Tab.1 Solar radiation absorptivity with different surfaces

户外柜表面所吸收的太阳辐射热量可按下式计算,

式中：Qα为户外柜表面所吸收的总太阳辐射热；αsol为户外柜表面的太阳辐射吸收率；Qsun为照射到户外柜表面的总太阳辐射热，包括太阳直射、散射到户外柜表面以及周围其它表面反射的太阳辐射热。

户外柜表面材料在太阳照射下达到热稳态后，将相应的参数代入式（4），可得到柜体表面温度升高后的温度值t2。户外柜内部接收的太阳辐射热量 Q太阳辐射，可通过式（5）计算得出。

式中：C为户外柜材料的比热容；m为柜体的质量；t2为户外柜表面太阳照射后的外表面温度稳定值；t1为户外柜表面没有太阳照射时的外表面温度稳定值；t3为户外柜内表面的温度稳定值；I0为太阳辐射强度，可从当地的气象资料中查取；A为不同表面在垂直太阳直射方向上的投影面积；θi为太阳光与地平面法向夹角；Q太阳辐射为户外柜内部因太阳辐射而吸收的热量。

根据以上理论分析，可采取如下改善措施减少户外柜内部接收太阳辐射热量：（1）减少户外柜接收的太阳辐射，例如加装遮阳篷或遮阳罩等；（2）选用低太阳辐射吸收率的表面材料，例如采用浅色或白色的表面涂料；（3）表面加用对太阳辐射中可见光部分吸收比低的涂料，例如喷涂防太阳辐射纳米涂料。

1.2 柜外空气向柜内空气传递的热量

当户外柜采用风机和热交换器时，柜内空气温度一般高于柜外空气温度10℃左右，因此，热量是从柜内传递到柜外。而空调型户外柜在高温天气下，一般柜内的气温比柜外气温低，因此热量是从柜外传递到柜内。传递的热量可按下式近似计算

式中：QR为户外柜传热量；k为对流换热系数。

1.3 户外柜内电气设备发热影响

户外柜内部安装有合并单元、智能终端等IED设备，厂家大量的试验数据表明：现阶段一般一个合并单元的发热量在50 W左右，智能终端一般少于合并单元，110 kV间隔的户外柜柜内总发热量一般不超过100 W，220 kV间隔的户外柜柜内总发热量一般不超过200 W。

1.4 柜内设备布局影响

电气设备组件柜柜内设备的布局对柜内局部温度亦有影响。不合理的布局将导致柜内空气流通性较差，产生局部热岛现象。图1给出了柜内电气设备间距为1U及2U时的温度场分布仿真结果（1U=44.45 mm）。

图1 柜内智能设备不同间距对柜内温度的影响Fig.1 Effect on the temperature with different spacing of IED in outdoor control cabinet

由图1可知，当间距为1U时，最高温度为60.01℃；当间距为2U时，最高温度为51.19℃。间距从1U增加到2U，最高温度降低了8.82℃，缓解了局部过热现象。这是因为智能设备间安装有走线槽，走线槽会阻碍空气流通，降低智能设备散热效率。当间距从1U变为2U时，释放的空间会改善空气流通的途径，增加了散热效率，从而明显降低了智能设备的最高温度。可见柜内智能设备布局的合理性，会明显影响柜内空气的流通性，进而影响柜内局部温度。

1.5 小结

户外柜柜内温度取决于从柜外进入柜内的热量（包括太阳辐射和热传导的热量）加上内部设备发热量与温湿度控制系统从柜内传到柜外的热量之差。若要降低户外柜柜内温度，一是要减少进入户外柜的太阳辐射热量，二是要尽量使柜内热量排到柜外。此外，柜内智能设备安装时应尽量选用合理的间距设置，从而有效降低局部热岛现象出现。

2 湿度对户外电气设备组件柜的影响

户外电气设备组件柜如果设计不当会产生凝露现象，凝露问题极大地威胁着电网的安全，为保证户外柜内部装置的绝缘水平,保证内部装置可靠工作,必须采取正确的方法，避免户外柜内部凝露现象。

2.1 温度、相对湿度和露点关联分析

湿空气的温度、相对湿度和露点的相关数据如图2所示。

图2 温度、湿度、露点关联图Fig.2 Temperature,humidity,dew point correlation chart

从图2可以看出：（1）在温度不变的条件下，空气中的相对湿度越高，凝露温度越接近环境温度，凝露就越容易发生。（2）形成结露的露点温度始终是低于环境温度。所以，空气的温度高，能够包含的水蒸汽就多。反之，空气温度低，尽管只有少量水蒸汽，空气也能够达到饱和。同样道理，即使湿空气本身没有达到过饱和，而与湿空气接触的物体表面及内部冷却到低于湿空气的饱和温度时，则在物体表面附近空气中所含的水蒸汽也会凝结成水。即使接触到比湿空气露点温度低一点点的物体，结露也会发生。

避免凝露的措施：（1）降低相对湿度：温湿度控制器+加热器解决方案，即用温湿度控制器监视户外柜内部的湿度，当相对湿度达到了80%RH时，启动加热器将柜内的气温升高，进而降低柜内的相对湿度；(2）降低绝对湿度：用除湿器或者是温湿度两路控制的空调机将柜内空气中的水蒸汽析出，降低柜内空气的绝对湿度。

南方地区气温较高湿度较大，尤其是梅雨季节湿度持续较大，建议采用降低绝对湿度的方案。

2.2 空调型户外柜湿度控制优化方案

风扇、热交换器和空调型的户外柜中，空调型的湿度控制问题较为突出，通过对空调机的启动模式进行优化来改善控制效果。由原先的单路温度检测，优化为温湿度两路检测，并增加温度补偿功能解决梅雨季节低温高湿的问题。具体的空调压缩机启动方式优化如图3和图4所示。

图3 优化前空调启动模式逻辑图Fig.3 Optimize the pre-air conditioning start mode logic diagram

图4 优化后空调启动模式逻辑图Fig.4 Optimized air conditioning start mode logic diagram

通过对空调的启动模式的优化，可以将户外柜内的温度和湿度均控制在合理的范围之内，有效地完成梅雨季节湿度的控制。

3 空调选型

3.1 空调制冷量的理论计算

220 kV智能变电站850 mm×850 mm×2 000 mm户外柜表面积A=7.3 m2,环境温度T0=45℃，柜内总热量为QI=200 W；户外空气传导热量QR=k×A×△T=2×7.3×10=146 W；Q总=QI+QR+QS=595.4 W。考虑到空调运行后期效率的降低取安全系数Ka=1.3，则空调的制冷量 Q=Ka×Q总=1.3×595.4=774 W，应该选择800 W制冷量的空调。

表2 7～8月户外柜温湿度统计表Tab.2 7～8 months outdoor cabinet temperature and humidity statistics table

3.2 各个变电站户外柜实测数据分析

对户外电气设备组件柜的温度观测采取环境温度测温方式进行测试数据统计分别如下。

1） 热交换器型和空调型户外柜温湿度数据对比

在“迎峰度夏”期间，利用温度记录仪连续采集了从7月24日至8月29日一个多月每天的热交换柜和空调柜温湿度情况,统计见表2，曲线见图5、图6。

热交换柜温度比户外环境温度平均高4.8℃；空调柜平均温度32.6℃，波动在±2℃，控温较稳。

热交换柜湿度控制较好，变化幅度比户外平缓，平均湿度比户外低13.2%；空调柜湿度与户外环境湿度接近，平均在55%左右，但变化剧烈，控制较差。

2）空调型户外柜温湿度分析

截取记录中温度较高的8月12日数据，绘制24 h温湿度变化曲线图见图5和图6。图5表明，空调柜控温理想，温度在32℃左右，波动较小。

图5 24 h温度变化曲线Fig.5 24 hours temperature change curve

图6 24 h湿度变化曲线Fig.6 24 hours humidity change curve

24 h湿度曲线再次表明，热交换柜内湿度低于户外环境湿度，曲线跟随户外环境湿度波动，可控；而空调柜对湿度控制较差，有非线性特性，波动明显。但湿度均在电子设备工作的正常范围内。

4 结语

随着国内智能电网的快速发展，户外电气设备组件柜用量越来越大，本文分析了户外柜内温度和湿度的影响因素，提出了空调型电气设备组件柜的湿度控制优化方案，并针对空调型的电气设备组件柜进行深入的分析，结合现场的测试数据进行论证，通过分析确定合理的空调选型方法，为后续空调的选型提供了参考依据。

（References）

[1] 蔡勇,张大国,孟碧波,等.新一代智能变电站理念与技术优势分析[J].湖北电力,2013,37(7):1-4.CAIYong,ZHANG Daguo,MENG Bibo,etal.Analysis of new generation smart substation idea and technology advantages[J].Hubei Electric Power,2013,37(7):1-4.

[2] 国家电网公司.110（66）～220 kV智能变电站设计规范[S].北京：国家电网公司，2009．State Grid.Specifications of design for 110（66）～220 kV smart substation[s].Beijing:State Grid,2009.

[3] 刘琦，程春，吴健，等.智能变电站温度监测主站系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制，2013，41(4)：130-135.LIU Qi，CHENG Chun，WU Jian，et al．Design and implementation of temperature monitoring system for intelligent substation[J].Power System Protection and Control，2013，41(4)：130-135．

[4] 易永辉．继电保护装置寿命分析及寿命影响机理研究[J]．电力系统保护与控制，2013，41(2)：79-83．YI Yonghui.Research of relay protection device-life and relative effect mechanism[J].Power System Protection and Control，2013，41(2)：79-83．

[5] 吴雪峰，刘艳敏，施战辽，等．数字化变电站智能终端柜降温方案[J].水电能源科学，2012，30(5)：158-160．WU Xuefeng，LIU Yanmin，SHI Zhanliao，et al．Heat dissipation plan of intelligent terminals for digital substation[J].Water Resources and Power，2012，30(5)：158-160．

[6] 黄朝阳，焦云峰．.智能变电站智能终端柜恒温措施的探讨[J].企业技术开发，2014，33(22)：46-48．Huang Zhaoyang，JIAO Yunfeng.Discussion on constant temperature measure of intelligent terminal cabinet in intelligent substation[J].Technological Development of Enterprise，2014，33(22)：46-48．

[7] 张洋，严华，张永峰.智能变电站户外控制柜风机散热研究及仿真分析[J].CAD/CAM与制造业信息化，2012(10)：49-51．ZHANG Yang，YAN Hua，ZHANG Yongfeng．Heat dissipation design and simulation of fan for intelligentsubstation outdoorcontrolcabinet[J].Digital Manufacturing Industry，2012(10)：49-51．

Research on Temperature and Humidity Control Technology for Outdoor Components Cabinet of Electrical Equipment

WANG Yang1,WANG Chengzhi1,DU Zhen’an2,HONG Meizi2,
LIU Jun3,CHEN Jianmin3（1.State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China;2.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;3.Shenzhen Envicool Technology Co.,Ltd，Shenzhen Guangdong 518100,China）

With the rapid development of smart grid,more and more microcomputer-based smart electrical equipments are installed in the outdoor components cabinet of electrical equipment.The rationality of the internal temperature and temperature control directly affects the safe and stable operation of the equipments.In this paper,the influencing factors of temperature and humidity of outdoor cabinet are analyzed,and the humidity control optimization scheme of air conditioning type electrical equipment assembly cabinet is put forward,the air conditioner type electrical equipment component cabinet is deeply analyzed.Combining with the test data,the feasibility of the scheme is clarified.The reasonable selection method of air conditioning is determined through analysis,which provides a reference for the selection of air conditioning system.

smart grid;outdoor components cabinet of electrical equipment;temperature;humidity

TM45

A

1006-3986(2017)05-0017-05

10.19308/j.hep.2017.05.005

2017-04-18

汪 洋（1963），男，湖北荆州人，学士，高级工程师。

国网湖北省电力公司科技项目“电气设备组件柜微环境控制技术优化研究”（项目编号521532160014）。