一种智能变电站移动组合式应急散热装置的研制

任浩贤 蒋丰宇 张公生 温东升 林雄德

（广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000）

1 技术背景

近年来电力技术迅速发展，智能变电站不仅具有过程层网络全过程管控的功能，能实现“智能录波器+在线管控系统”整体监视方案，而且具有过程层网络信息安全高效传输和精准对时功能。毋庸置疑，智能变电站是今后电力系统中变电站发展的新方向，然而发展过程中也浮现出了一些痛点[1]。就常见的汇控柜而言，现有技术无法实现良好的温湿度控制和防护性能，且工作环境恶劣，一旦温控设备出现故障，柜内温度快速上升，各类电气元件就将在极高的温度下运行，极易引发相关一二次设备联锁问题，对电网安全运行十分不利。电网研究表明，目前出现这类问题时，电网运维部门需等待专业的温控设备厂家前往故障点进行维修，周期较长，缺乏及时性。因此，为满足电力行业的发展需要，确保智能变电站安全、稳定运行，研发一套智能变电站的汇控柜散热应急方案成为当务之急。

现阶段，电力行业的汇控柜主要散热方式有风扇散热、热交换器散热和空调散热。风扇散热通过安装在汇控柜内部的风扇来强迫机柜内部风道实现内外空气的流通，进而实现柜内的热量发散，散热效率较高、重量较轻、运行成本低，但使用寿命较短，易出现故障；热交换器散热通过安装在汇控柜内的热交换器实现柜内外的热量传导，其结构复杂得多，稳定性不足；空调散热是通过在汇控柜上安装空调来实现散热，其优点是可将内部和外部环境完全隔绝，但在寿命周期内出现故障的可能性较高，且维修较难。

基于上述分析，本文致力于研制一种智能变电站移动组合式风冷应急散热装置，用于解决智能变电站中汇控柜的散热装置故障应急问题，新型风冷散热装置的应用可有效降低智能变电站内因智能终端散热系统故障引发一系列设备故障的概率，有效减少运维风险，保障电网的安全稳定运行。

2 产品机构设计与功能原理

由现有技术分析可知，备用工业风扇在智能终端散热系统故障时临时开启，风量大，但气流方向杂乱，不适合构建箱内风道，也因此会影响内部各模块的散热；其次，越接近风扇中心风力就越弱，轴承部位是盲区，没办法将散热效率最大化；最后，由于部分空气会被反弹，风扇还要抵消这部分反弹回来的空气的冲击，所以散热能力被进一步削弱。此外，风扇无法解决凝露问题，可能导致智能装置表面出现凝露水珠，影响设备稳定运行。因此，为安全高效地解决汇控柜的应急散热问题，本文从散热问题的时效性出发，设计一款能简单快速实现降温除湿的应急散热装置，其具备以下特点：（1）该装置可根据具体需求灵活配置；（2）该装置的结构元件部分可折叠，收纳方便；（3）该装置自带大功率高显热比的变频涡旋散热系统，制冷迅速。

2.1 主体结构设计

智能变电站移动组合式风冷应急散热装置主体由两部分构成，如图1所示，左侧为大功率高显热比的变频涡旋散热装置，集成温湿度控制动态监测、凝露动态监测功能，装置内部设有激光雷达定位装置、中枢控制器、传感器系统以及相关控制回路等部件，构成智能控制识别系统的执行端；右侧为散热系统框架，大小能包裹一套或多套智能控制屏的外部，两侧通过风管或风道相连。此外，本项目的软件（集成上位机的ROS操作系统）置于后台监控电脑中。散热系统框架部分为可折叠式结构，当不使用时可自动折叠，减少对变电站室内空间的占用。

图1 智能变电站移动组合式风冷应急散热装置整体外观

图2为本智能风冷散热装置平面图，其主要由风冷空调、空调出风口、管道、进风口、铝合金框架、铝合金框架连接件、万向脚轮、带磁吸的PVC卷帘、可折叠式封板、封板合页、封板锁扣组成。其中，铝合金框架、铝合金框架连接件、带磁吸的PVC卷帘、可折叠式封板等散热系统框架配件灵活可拉伸折叠，以便将框架体积缩小进行收纳[2]。此外，空调管道的移动式不锈钢，可配合散热系统框架实现伸缩功能。

图2 智能变电站移动组合式应急风冷散热装置平面图

2.2 智能风冷散热装置的功能原理与实施方法

正常情况下，本装置会放置在应用此装置的设备室或保护室对应的定置点；当智能变电站室内柜体的散热装置发生故障时，后台监控电脑收到故障信号后将通过本项目的控制后台发送相应控制信号至本体的中枢控制器；本装置根据后台数据库所建的设备地图及激光雷达定位装置进行故障柜定位，并立即前往；移动到位后自启动，展开折叠部分将故障的装置包裹，同时启动风冷空调进行制冷除湿；到达故障柜后，装置自动展开并将故障柜包裹，根据所设定温湿度启动变频旋涡散热装置对柜体进行降温除湿；待维修人员将故障柜的智能装置散热系统修复完成后，可手动将本系统退出运行，使其自动折叠并回到固定地点。与此同时，本装置也可以由变电站运维人员手动携带到散热装置故障的屏柜附近，手动展开散热系统框架，打开PVC卷帘，通过风管连接到户外变频旋涡散热装置，接上电源后即可启动本智能风冷散热装置，完成对屏柜温湿度的控制。当屏柜内热气流遇冷发生凝露时，集成的凝露动态监测系统自动监测到凝露现象，调整变频旋涡散热装置出风模式，实施凝露控制。

本装置可根据变电站实际情况分类实施：对于GIS智能变电站，可采用无人工干预下自动模式，GIS变电站设备多集中在室内，而智能控制屏柜集中在室内GIS设备室、保护室等，这些地方道路平整，屏柜布局合理，能有效提高智能风冷散热装置到位的可靠性。此种方法也可有效提高运维人员处理此类故障的效率，大大缩短运维时间。而对于常规的敞开式变电站，站内汇控柜在室外，运行环境较差，此类汇控柜散热装置发生问题时，由运维人员在接到调度监控员的电话后45min内到站处理。因此，通常可在每个变电站配置两套该智能风冷散热装置，在能实现自动处理故障条件的变电站，本装置预装好随时待机启动；在常规的敞开式变电站，本装置分体放置在固定位置，方便运维人员快速搬运到现场。

3 现场验证与效果分析

智能风冷散热装置成品及其使用情况如图3所示。为了对本装置使用效果进行测试，在某变电站内选用几组备用间隔汇控柜模拟内部空调故障，将目前电网运维中的解决方法和使用新装置后的方法进行了对比试验，测试结果如表1所示。

图3 智能风冷散热装置及其现场使用情况

表1 汇控柜散热故障处理情况对比分析表

由表1可以看出，使用本文研制的应急装置后，仅需1～2名人员即可完成工作，且耗时在0.5h以内。该装置操作过程简单，极大地提高了运行人员的维护效率，并间接降低了柜内各装置回路因高温高湿而故障的可能性。此外，本装置根据要求可快速响应的特点具有较强的实用价值。据了解，当有二次屏柜内发生散热故障或装置发热发出故障告警时，电网公司要求无人值守的电站运维人员在45min内赶到，本智能散热装置可以在运维人员赶到之前、故障发生之后短时间内完成对故障的初步处置，最大限度保证变电站内设备安全。

4 本装置的多维度发散研究

通过实践发现，还可对本装置进行以下升级改造或拓展[3]：

（1）把本装置的散热装置外罩替换为铝合金、黄铜或青铜做成的板状、片状、多片状热交换器散热，贴在智能终端外层，使元器件发出的热量传导到散热片上，再经散热片散发到周围空气中去。同时，把变频涡旋散热替换为水冷或油冷热转换装置，对热管进行降温，同样能达到目的，还能简化装置的拆装折叠步骤。

（2）在汇控柜底部防火泥或柜体其他位置安装预留好冷媒进出管道及电源线管道，管道（超细管）两头采用单向阀进行固封，对现有智能变电站内的户外汇控柜进行预埋小管道的改造。当设备散热系统出现故障时，采用移动的分体式温控设备，快速将可移动分体式温控设备接入预制散热管路中，并连接好冷媒的进出管及电源线，启动本装置对汇控柜进行快速降温。

5 结语

随着智能变电站的逐步推广，高度集约化智能终端的散热系统故障导致智能设备出现运行风险的矛盾越发突出。本文针对智能变电站运维过程中的刚需问题，设计了智能变电站移动组合式应急散热装置，集成温湿度监控、凝露控制功能，具有配置灵活、占用空间小、降温迅速的特点，可有效解决智能变电站内智能终端散热系统故障可能引发的设备问题，显著提高智能变电站运行维护的可靠性，具有极高的工业实用价值且便于推广，可为后续智能变电站运维智能一体化提供研究与实践基础。