湖南省智能变电站户外汇控柜运行情况分析

李辉，刘海峰，陈宏，许立强，欧阳帆，敖非，沈杨

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

湖南省智能变电站户外汇控柜运行情况分析

李辉，刘海峰，陈宏，许立强，欧阳帆，敖非，沈杨

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

介绍了湖南省气候特征及目前省内常用的风扇、热交换及空调三种户外智能汇控柜的工作原理；研究了影响户外汇控柜柜内温湿度的主要因素；结合大量实测数据分析了湖南省智能变电站户外汇控柜的运行现状并给出了相关建议。

智能变电站；户外汇控柜；散热；温度；湿度

智能变电站建设在湖南省已全面铺开，除曾家冲等极少数户内GIS站外，湖南省均为户外AIS或GIS站〔1〕。此种方式下，功能上等同于传统继电保护装置采样模块和操作箱的合并单元和智能终端，通常就地化安装于户外一次设备旁的智能汇控柜内〔2〕。由于智能电子设备对环境，尤其是温、湿度的变化较为敏感，当工作环境不满足要求时，有可能导致电子设备故障，影响电力系统的安全、稳定运行。湖南地区具有雨水多、湿度大、夏季气温高等特点，户外环境较户内环境差，温、湿度变化大，智能汇控柜能否为合并单元、智能终端等智能设备提供良好的运行环境已成为大家关注的焦点。

1 湖南省气候特点

湖南位于长江以南，纬度偏低，为大陆性特征明显的中亚热带季风湿润气候。在冬季，常受从西伯利亚和蒙古高原南下的冷气团控制，比较湿冷，在准静止锋面和气旋活动的影响下，可带来一定的雨雪冰霜天气。在夏季，则多为低纬度海洋暖湿气团所盘踞，气候高温多雨。春季，地面南北气流对峙，气旋及锋面活动频繁，雨水较多，天气多变。秋季是从夏入冬的过渡季节，副热带高压势力逐步南撤，偏北气流渐次控制全境，全省呈现出气层垂直结构十分稳定，而湿度又很小的秋高气爽天气。可以用四句话概括湖南的气候特征:气候温和，四季分明；热量充足，降水集中；春温多变，夏秋多旱；严寒期短，暑热期长。

图1为统计的2013年7月份至2014年5月份的长沙市近一年的户外温湿度数据。温湿度数据均为每半小时记录一个点，户外温湿度计放置在太阳无直射处。可以看出，长沙地区7，8月份温度较高，最高气温超过40℃，2个月最低气温不低于30℃，月平均气温在34℃左右。湿度则无明显季节性变化，全年湿度均较大，60%以上时间相对湿度维持在60%以上。

2 户外智能汇控柜种类及工作原理

目前湖南省智能变电站户外智能汇控柜按散热方式分为3种:热交换柜、空调柜、风扇柜。

2.1 热交换柜

目前智能变电站内的热交换柜主要采用空气/空气热交换器作为散热设备〔3〕。空气/空气热交换器是利用低于柜内温度的柜外空气通过热交换芯进行有效热交换，实现温度调节。此种方式下，柜内外的空气完全隔离。在空气/空气热交换器运行过程中，分隔开的气流将在功率强大的风扇的驱动下，经过热交换芯，由低于柜内温度的柜外空气带走经热交换芯传递出的柜内热量。

使用空气/空气热交换器的前提是柜外温度必须低于柜内温度。且其制冷能力受柜外气温的影响较大，柜内外温差越大，其制冷效果越好。

另外，由于柜内外空气完全隔离，能有效防止灰尘和有腐蚀性气体进入柜内。

目前，湖南省普遍采用热交换柜。

2.2 空调柜

空调柜采用嵌入式小型空调对智能汇控柜内空气温度、湿度进行调节，并通过风机构成内部的空气流通，提高温度调节效率。其主要优点是不管外界气温如何变动，都能确保柜内温度保持在理想的设定温度。同样，由于柜内外空气完全隔离，空调柜也能有效防止灰尘和有腐蚀性气体的进入。缺点主要是耗电量大、价格较高且空调质保期较短、后期维护成本较高、维修时间较长。

2.3 风扇柜

风扇柜采用风扇强制空气流通，将热量排出柜外。柜内较大的空气流通可减轻电气元件局部热岛现象，有助于电气元件的散热。

因为热空气比冷空气轻，故风扇柜一般采用后门下部进风，上部出风方式。风机安装在进风口，若采用2个进风口，则一般2个进风口采用上下排布方式，使风扇正对着模块吹风，利于模块散热，进风口与出风口间安装隔风板，阻挡空气短路，使冷空气尽可能多的吹过模块，加速带走模块周围热空气。风扇外侧均装有过滤网。风扇启停由柜内的温度控制器控制。

风扇柜的优点主要是能耗低、成本低，维护方便；缺点也很明显，因其不是密闭结构，故不适用于湿热、盐雾环境和粉尘较大的环境。此外，风扇柜还需要定期维护过滤棉。

3 影响户外汇控柜柜内温湿度的主要因素

智能汇控柜热量主要来自内部模块发热和外部太阳辐射。热量传递路径主要包括2个部分:

路径1:智能控制柜内部生成的热量通过对流及辐射传给智能控制柜内表面，再通过夹层材料(如空气、海面、泡沫等)的导热传到智能控制柜外表面，最后通过对流及辐射传给周围的大气。

路径2:智能控制柜外表面吸收太阳辐射热量，一部分通过对流及辐射传给周围大气，另一部分则通过夹层材料(如空气、海面、泡沫等)的导热传到智能控制柜内。

因此，智能汇控柜柜内温度决定于进入智能控制柜热量加上内部生成热量与控制柜表面散热量之差。要降低汇控柜内温度，一要减少进入汇控柜太阳辐射热量，二要尽量使柜内热量排出柜外。

智能控制柜内的湿度则主要和柜内空气的干湿程度有关，可用相对湿度(RH)表示。一般来讲，空气的温度越高，它容纳水蒸气的能力就越高，在空气所含水蒸气不变的情况下，相对湿度将降低。图2所示的2014年7月10日热交换柜柜内实测温湿度变化曲线也反映了这一规律。因柜体为密闭结构，柜内空气所含水蒸气一定，当柜内温度升高时，相对湿度降低；温度降低时，柜内相对湿度升高。

图2 温湿度变化曲线

4 户外柜实际运行效果分析

为了解湖南省就地智能汇控柜实际散热效果，国网湖南电科院在迎峰度夏期间下发了《关于开展在运智能变电站就地汇控柜温湿度测试的通知》，要求对湖南省在运的智能变电站就地汇控柜进行温湿度的测试。测试项目包括户外环境(太阳无直射处)温湿度、汇控柜柜顶温湿度、柜内环境温湿度及合并单元、智能终端装置温度。测温时间选取7月下旬至8月下旬的午间。其中“户外环温”和“柜温”采用温度计测量，“装置面板”和“光纤接口”温度采用红外测温仪测量。取每站各柜的平均读数，几个典型站的数据见表1。

表1 户外汇控柜测温综合数据℃

统计数据表明:风扇柜对温度的控制能力最差，柜内外温差接近＋8℃(现阶段的研究表明:风扇柜的散热效果应优于热交换柜。北湖变风扇柜散热效果差一方面与其风扇安装位置有关；另一方面，其风扇选型方面可能存在“小马拉大车”情况)；热交换柜温差相比较小，但高于环温；空调柜内温度稳定在30℃左右，与环温无关。

此外，不同厂家的产品因采用的材料和内部热处理的措施不相同，导致装置面板温度和光纤接口温度存在较大差异，如表1中所示，都塘变和永和变均采用空调柜，柜内环温均在30℃左右，但2个厂家产品的面板和光纤接口温度差别较大。

湿度测试结果如表2所示。因测试时，风扇柜和空调柜所在地的环境湿度相对较小，测试数据无法反映汇控柜对湿度的影响。热交换柜可粗略显示柜内湿度要较环境湿度低。测试的湿度结果满足“湿度应保持在90%以下”的要求。

表2 户外汇控柜湿度测试综合数据%

对柜内装置的红外测温表明，实测装置表面温度范围在40～85℃之间，且测量数据表明汇控柜内存在局部温差现象:

1)装置表面温度分布不均，这与电气元件发热局部集中有关；

2)智能装置发热点主要集中在背板的电缆和光纤接线端子处，其中，又以光纤接线端口的温度为最高(82.5℃)，这与光纤端口光电转换元件发热有关。

鉴于湖南省空调柜及热交换柜使用较多的现状，选取了长沙某智能变电站，通过就地温、湿度自动采集装置，统计户外环境温湿度及目前智能变电站主流的空调和热交换两种方式下汇控柜内的温、湿度变化趋势。温湿度数据均为每半小时记录一个点，户外温湿度计放置在太阳无直射处。柜内温湿度计放置在柜体后侧靠右上部位。

表3及图3给出了从2013年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度情况。这段时期也是长沙天气最热的日子，全省用电负荷屡创新高。数据表明:热交换柜温度比户外环温平均高4.8℃；空调柜平均温度32.6℃，波动在±2℃，控温较稳。

表3 2013年7—8月户外柜温度统计表℃

图3 2013年7至8月份温度变化曲线

表4及图4给出了从2014年2月份的热交换柜和空调柜湿度情况。这段时期长沙连日多雨，湿度较大。数据表明:虽然户外湿度较大，平均湿度达81.18%，但由于热交换柜与空调柜均为密闭结构，其湿度相对稳定，最大值亦不超过60%，平均湿度热交换柜为44.72%、空调柜为41.43%，均较为理想。

表4 2014年2月份户外柜湿度统计表%

图4 2014年2月份湿度变化曲线

目前，针对智能汇控柜环境温度控制的问题，出台的条款较多且存在差异。故在文献〔4〕中对就地柜的环境的要求进行了协调后如下:“按各标准中最严格的要求执行，柜内最低温度应保持在＋5℃以上，柜内最高温度不超过柜外环境最高温度或40℃(当柜外环境最高温度超过50℃时)。”

若根据此条款，湖南省除空调柜以外，均不满足要求。另外，根据与智能设备厂家的沟通，其设备虽然均标称可在－10～50℃的温度下运行，但其推荐温度是30～35℃。因为智能组件的插件多为塑料材质，长时间高温运行将加速绝缘老化，缩短电子元器件使用寿命〔5－6〕。湖南省属典型南方气候，夏季持续高温高湿，户外汇控柜内的智能设备将可能长期运行在40℃及以上的高温环境下，智能设备的整体运行情况堪忧。此外，由于湖南省智能变电站建设时间不长，故近2年温度导致的设备故障问题还不是很突出，但因温度影响导致的设备老化问题可能在2～3年后集中爆发，给湖南省电网安全运行带来隐患。

5 结论和建议

结合大量实测数据分析了湖南省户外智能汇控柜内温湿度情况，建议如下:

1)3种散热方式中空调散热效果最好。因此有条件的地区推荐采用空调散热方式。

2)对风机型户外柜，建议每年的5月份完成对风机过滤棉的清洗或者更换；对空调和热交换器，建议每年的5月份完成对外侧冷凝器进行清洗、内外风机运转。

3)由于部分智能变电站距离市区较远，防止在夏季出现温控设备故障导致户外柜内部出现高温问题，建议每个变电站按照1∶20的比例配备相应的温控附件的备件，以确保温控附件出现故障后能及时的进行更换。

4)应建立智能变电站户外智能控制柜温湿度档案库，定期开展温湿度测试及红外测温工作，及时与往年数据进行比对分析，对出现性能劣化的温控器件进行及时更换。

5)建议下阶段开展汇控柜内光纤接口和接线端子的老化试验，研究在湖南气候条件下，分别采用3种散热方式时，主流厂家设备的老化时间以及老化后对电网运行带来的风险。

〔1〕刘海峰，赵永生，谭建群，等.智能变电站技术应用现状和展望〔J〕.湖南电力，2013，33(S1):9-14.

〔2〕倪益民，杨宇，樊陈，等.智能变电站二次设备集成方案讨论〔J〕.电力系统自动化，2014，38(3):194-199.

〔3〕朱云霄，朱云灿，严华.智能变电站户外智能控制柜热设计〔J〕.电子机械工程，2013，29(6):18-22.

〔4〕国家电网公司.国家电网科〔2014〕(108号)国家电网公司关于发布电网运行有关技术标准差异协调统一条款的通知〔Z〕.2014.

〔5〕陈炳生.电子设备可靠性技术〔M〕.北京:北京科技出版社，1983.

〔6〕余建组，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术〔M〕.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

Analysis of operation conditions for outdoor control cabinet in smart substations of Hunan province

LI Hui，LIU Haifeng，CHEN Hong，XU Liqiang，OUYANG Fan，AO Fei，SHEN Yang
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The climatic characteristics and operating principles of three common outdoor control cabinets such as fans，heat exchangers and air-conditions in Hunan province are introduced in the paper.The chief factors that affect the temperature and humidity in outdoor control cabinet are studied.Based on measurement data，the operation conditions for outdoor control cabinet in smart substations of Hunan province are analyzed，and related suggestions are proposed.

smart substation；outdoor control cabinet；heat dissipation；temperature；humidity

TM63

B

1008-0198(2016)01-0036-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.010

2015-07-28 改回日期:2015-08-12

国网湖南省电力公司科技项目(5216A513509Q)