一种新型降温方式的继电保护散热装置设计*

朱 婷，方 强，王开铭

(国网白银供电公司，甘肃 白银 730900)

0 引 言

随着智能站的普遍应用，智能变电站保护装置发热问题日渐突出，常见发热部位有：保护装置电源插件、CPU插件，交换机网口，装置光口，高频装置。设备持续发热将明显缩短设备使用寿命，导致设备插件出现不同程度损坏，严重影响保护装置的正常运行，进而影响电网安全稳定运行。

以白银变电运检中心为例，现辖智能变电站330 kV 3座，110 kV 2座，由于智能站设备体积小，散热空间小等客观性能原因，其中80%继电保护设备存在严重发热现象，发热温度集中在38～60 ℃之间，该温度虽在装置说明书允许范围内，然而科学试验证明，电子元器件温度每升高2 ℃，可靠性下降10%，温升50 ℃时的寿命只有温升25 ℃时的1/6，保护装置若长期处于此高温运行状态将影响设备使用寿命及可靠性。目前公司尚无完善规范的技术手段解决此现象。

在发热设备中因自身性能原因引起的发热占比超过86%，因此无法通过更换保护装置彻底解决，目前运检人员尚无规范的处置手段，采取的缓解方法包括：①夏季主控室空调全部开启；②保护屏柜柜门全部打开用于散热，效果不理想且有违变电站设备运维相关规定。

目前，已有继电保护装置的主动散热方式主要有以下两种：①个别发热量巨大的继电保护装置，出厂时自带有散热模块，这种散热方式可以有效缓解对应设备的发热问题，然而由于这种方式只针对特定的继电保护装置，并且配备散热模块的保护装置种类极其有限，不能从根本上解决大部分装置缺乏主动散热而引起设备使用寿命减少和发生故障的问题；②主动散热方式是：在继电保护机架侧面外挂一套散热系统。该方式能为对应机柜内的所有继电保护装置提供散热，然而这种方式无法形成合理的有效风道，并且功耗大，体积大，在相同温度下对单个保护装置降温，耗时较长[1]。

笔者此文针对智能变电站继电保护装置严重发热的问题，通过对散热需求进行计算分析，设计新型继电保护设备散热装置，达到降低继电保护装置运行温度的良好效果，对保障继电保护装置的正常使用寿命具有重要意义。

1 智能机架式散热装置散热需求分析

常见的继电保护装置尺寸如图1所示，高度为4U(4 cm×4.445 cm)，宽度为19英寸(48.26 cm)的机箱，长46.5 cm，由于保护装置与柜门无直接接触面积，辐射散热可忽略不计，故散热方式主要包括：自然对流散热热与强制对流散热[2]。

图1 常见继电保护装置尺寸

1.1 保护屏柜内元件产生总功耗

保护柜内元器件发热量的计算与安装元器件有关，因此小组统计了柜内常见的易发热装置的功耗，如表1所列。

表1 常见易发热装置功耗统计表

保护屏柜内常见的组屏方式中，同屏的保护装置一般不超过2台，其他组合装置数量一般不超过4个，以最多四个为例，以最大功率计算120 W计算，以极限思维假设热量全部传导向同一台装置，同时充分考虑柜内导线等其他元器件的功率(10 W)，故保护柜内元件所产生的总功Qi=130 W。

1.2 自然对流散热

根据继电保护小室运行温度相关规定，本文所论证散热量理想目标温度为35℃，根据热力学公式公式，自然对流散热量Qr1：

Qr1=k×A×ΔT

(1)

式中：k为传热系数，不锈钢材料屏柜k=5.5 W/m2·k；A为装置的表面积，对于本屏柜取发热最严重情况分析，即保护屏柜内最多安装3台保护装置时的热量，设Ai为单台装置面积，A为屏柜内装置的总面积：

Ai=2×48.26×17.78+2×48.26×46.5+

2×46.5×17.78

=0.7858(m2)

(2)

A=3Ai=0.7858 m2×3=2.3574 m2

(3)

ΔT=T1-T2

(4)

式中：T1为装置表面理想控制温度；T2为柜内最高温度。因实际运行中，柜内装置及导线发热热量集中，环境温度稍高于保护小室环境及装置表面温度，此处代入实际测量值38 ℃，将上述数值代入公式(1)，可得：

Qr1=k×A×ΔT

=5.5 W/m2k×2.3574 m2×(35-38)

=-38.90 W

(5)

故在自然对流状态下，单台装置实际会吸收38.90 W来自柜内环境的热量[3]。

1.3 强制对流散热

由于保护柜内元件所产生的总功耗：

Qi=Qr1+Qr2

(6)

代入上述Qr1数值，计算强制对流散热量：

Qr2=Qi-Qr1=130 W-(-38.90)W

=168.90 W

(7)

故保护柜内需要散热的总功耗168.90 W[3]。

1.4 散热器所需的散热能力

针对上述散热需求，计算了散热器所需的散热能力如下：

H=Cp×W×ΔTc

(8)

式中：H为散热器总排出热量；Cp为空气的定压(10MmmAq)比热，且Cp=0.24(kcal/kg)，W为重量，W=单位之间(每秒)体积乘以密度，W=(Q/60) ×1200 g/M3；ΔTc为允许温升，1CMM=35.3CFM。

将上述公式代入公式(8)，则：

H=Cp×W×ΔTc

=(P×60)/1200×4.2×0.24×ΔTc

=Q=0.05P/ΔTc(CMM)

=1.76P/ΔTc(CFM)

(9)

根据上述测算，柜内消功总功率168.90 W，环境温度为理想目标最大值35 ℃，取保护装置极限运行温度允许最大值60 ℃，则：

P=Qr2=168.90 W

(10)

ΔTc=60-35=25 ℃

(11)

将上述数值代入公式(12)，则散热器所需的散热能力为：

H=1.76P/ΔTc(CFM)

=1.76×168.90/25

=11.89(CFM)

(12)

目标值35 ℃下散热器所需散热能力为11.89CFM[3]。

经调查，市面上常见的散热器风量根据规格不同约在3～250CFM之间不等。其中适宜安装尺寸的散热器规格与风量的关系如表2所列。

表2 常用散热器规格及散热能力统计表

从表2中可得，绝大多数散热器的散热能力完全满足论证的散热需求量，故本文提出的新型降温方式是是可行的。

2 继电保护装置新型散热装置设计

2.1 智能机架式散热装置结构

针对智能变电站发热的继电保护装置的散热需求，研制一款智能机架式散热装置。装置的结构如图2所示，主要由感温模块、散热模块、控制模块、显示单元模块、电源模块和金属外壳组成。感温模块采集继电保护装置表面温度，包括温度传感器及其信号传输线[4]；散热模块为继电保护装置降温，包括2个风冷式散热风扇[5]；控制模块智能控制散热器启停，可设置散热器启动和停运限值，包括单片机和单片机开发板[6]；显示单元模块实时展示保护装置当前运行温度及启停温度，包括显示器和信号连接线；电源模块为散热装置及控制系统供电，包括电源开关和变压器元件；感温模块、显示单元模块通过信号线连接在单片机开发板上；散热模块、控制模块、显示单元模块和电源模块的变压器安装在金属外壳内。

图2 智能机架式散热装置结构

2.2 智能机架式散热装置控制原理

智能机架式散热装置采用感温智能控制，其控制逻辑如图3所示：初始状态为通断控制器(断开状态)；判定温度信号输入接口输入的实时信号是否高于启动阈值，若是，则将通断控制器置于连通状态，延时设定时间后转到下一条判定，若否，延时设定时间后重复本条判定；判定温度信号输入接口输入的实时信号是否低于停止阈值，若是，则将通断控制器置于断开状态，延时一段时间后转到上一条判定，若否，则延时一段时间后重复本条判定。

图3 智能机架式散热装置控制逻辑

2.3 智能机架式散热装置供电方式

智能机架式散热装置电源模块及供电电路原理如图4所示，电源模块外接220 V交流市电，分为两路供电；一路经过开关连接到散热风扇为其提供220 V交流电；另一路经过开关后连接到变压器，实现将220 V市电转换成稳定的5 V交流电并接入单片机开发板的电源接口，为其提供所需的5 V交流电。

图4 智能机架式散热装置电源部分

3 应用及效果

3.1 智能机架式散热装置应用方法

保护装置智能散热器采用机架结构，安装方便，可检测当前温度并实时输出，实现智能感温控制散热器启停，适合在智能变电站易发热保护装置处布置。智能机架式散热装置使用时，首先拆除机架外壳进行安装，其安装流程如图5所示。

图5 智能机架式散热装置安装流程

3.2 使用效果

智能机架式散热装置应用后有效降低了智能变电站继电保护装置温度，节省了因严重发热导致频繁更换插件以及保护装置的采购成本，同时可以有效节省每年定期测装置发热而浪费的巡检人力，还可以节省因装置发热导致设备故障而浪费的消缺人力成本。同时解决了智能变电站继电保护装置发热严重的问题，采用机架式设计，安装便捷规范，可实时采集装置表面温度，根据装置温度智能控制散热器启停，使用过程中有效保障了保护装置正常的运行温度，降低了保护装置插件的故障率，保障了继电保护装置的正常使用寿命，进一步提高了设备可靠性，满足了智能变电站发展需求。

4 结 语

提出了一种新型降温方式的继电保护设备散热设计，研制出一款智能机架式散热装置，通过合理利用继电保护屏柜自身特点，结合智能控制方式，有效采集继电保护装置表面温度，智能控制散热装置启停。

此次设计新方法相比现有的继电保护装置自带散热和机架外挂式散热方式，具有能形成良好风道、能覆盖全部需要散热的继电保护装置、能实现自动控制、节能等优点。目前该散热装置已在白银变电运检中心部分智能变电站内试点推广应用，现场使用效果良好，能够有效降低智能变电站继电保护装置运行温度。