電氣設(shè)備組件柜降溫措施優(yōu)化研究

杜鎮(zhèn)安，陳 可，周 凡，陳 堃，葉龐琪，洪梅子

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)荊門供電公司，湖北 荊門 448000）

0 引言

隨著智能變電站和智能配電網(wǎng)建設(shè)的快速推進，越來越多的微機型電氣設(shè)備就地布置于電氣設(shè)備組件柜中，面臨高溫、高濕的惡劣運行環(huán)境[1]。在電網(wǎng)的實際運行維護中，電氣設(shè)備組件柜溫濕度控制系統(tǒng)存在諸多問題，包括制冷效果不滿足運行要求、局部過熱點溫度超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、凝露現(xiàn)象時有發(fā)生。特別是，電氣設(shè)備組件柜內(nèi)溫度高和濕度高可能引起智能二次設(shè)備短時危急、短時嚴(yán)重、長期隱患等各種類型的缺陷和故障[2]，最終影響電網(wǎng)安全運行。

目前在運電氣設(shè)備組件柜（例如智能變電站智能控制柜和配電箱）在溫度控制方面存在的主要問題是柜內(nèi)電氣設(shè)備溫度過高[3]。因而目前實際運行中對溫度控制的主要需求體現(xiàn)在對電氣設(shè)備進行降溫這方面，尤其在夏季高溫氣候條件下這種需求格外突出[4]。為改善電氣設(shè)備組件柜內(nèi)微機型電氣設(shè)備運行環(huán)境，進一步保障電網(wǎng)安全運行，本文針對電氣設(shè)備組件柜的降溫措施進行分析和研究，提出了優(yōu)化改進措施，并通過變電站運行數(shù)據(jù)驗證了措施的有效性，對優(yōu)化改進措施在實際運行中的應(yīng)用提出了合理建議。

1 熱能傳遞的三種基本方式

微機型電氣設(shè)備中大量使用集成電路，在運行過程中會不斷的產(chǎn)生熱量。為了保證電氣設(shè)備的可靠性，需要合理地對電氣設(shè)備進行散熱，將熱量從電氣設(shè)備傳遞到周圍環(huán)境中，使其運行在合理的溫度環(huán)境中。熱能的傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射[5]，分別簡述如下。其中，在電氣設(shè)備組件柜中，筆者關(guān)注的是熱對流中的對流傳熱。

1.1 熱輻射

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射傳熱。物體會因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。

自然界中各個物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。輻射與吸收過程的綜合結(jié)果造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞——輻射傳熱，也稱為輻射換熱。

導(dǎo)熱、對流這兩種熱量傳遞方式只在有物質(zhì)存在的條件下才能實現(xiàn)，而熱輻射可以在真空中傳遞，而且實際上在真空中輻射能的傳遞最有效。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱、對流傳熱的基本特點。

1.2 熱傳導(dǎo)

物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞稱為熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。例如，固體內(nèi)部熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，以及溫度較高的固體把熱量傳遞給與之接觸的溫度較低的另一固體都是導(dǎo)熱現(xiàn)象。

1.3 熱對流

熱對流是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。熱對流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時在進行著不規(guī)則的熱運動，因而熱對流必然伴隨著熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。工程上特別感興趣的是流體流過一個物體表面時流體與物體表面間的熱量傳遞過程，并稱之為對流傳熱，以區(qū)別一般意義上的熱對流。

就引起流動的原因而論，對流傳熱可區(qū)分為自然對流和強制對流兩大類。自然對流是由于流體冷、熱各部分的密度不同而引起的，暖氣片表面附近受熱空氣向上流動就是一個例子。如果流體的流動是由于水泵、風(fēng)機或其他壓差作用所造成的，則稱為強制對流。風(fēng)機驅(qū)動空氣在電氣設(shè)備表面流動，就屬于強制對流。另外，工程上還常遇到液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對流傳熱問題，分別簡稱為沸騰傳熱及凝結(jié)傳熱，它們是伴隨有相變的對流傳熱。

1.4 電氣設(shè)備組件柜熱能傳遞方式

電氣設(shè)備組件柜在運行過程中，熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對流三種方式均存在。

電氣設(shè)備組件柜的熱輻射傳熱方式，在白天有太陽的天氣條件下，主要是柜體和柜外空氣接收太陽輻射的熱量，然后通過熱輻射的方式向柜內(nèi)傳遞；在夜晚時，柜外空氣溫度較低，這時熱量主要是通過熱輻射的方式從柜內(nèi)向柜外傳遞。在夏季晴朗天氣下，通過熱輻射方式向柜內(nèi)傳遞的熱量，是柜內(nèi)主要的熱量來源之一。本文不討論熱輻射方式傳熱量的控制措施優(yōu)化思路。

電氣設(shè)備組件柜的熱傳導(dǎo)傳熱方式，熱量總是從溫度較高的一側(cè)傳向溫度較低的一側(cè)。一般而言，柜內(nèi)空氣溫度比柜外空氣溫度高，此時柜內(nèi)部分熱量通過熱傳導(dǎo)方式向柜外傳遞。但是，通過熱傳導(dǎo)方式傳遞的熱量較少，在分析電氣設(shè)備組件柜熱量傳遞的過程中可不予考慮。

電氣設(shè)備組件柜的熱對流傳導(dǎo)方式，通過驅(qū)動柜內(nèi)空氣在電氣設(shè)備表面流動，從電氣設(shè)備表面帶走熱量，然后再將柜內(nèi)空氣的熱量傳遞到柜外，屬于上述1.3節(jié)熱對流方式中的強制對流傳熱。這種強制對流傳熱方式，是目前電氣設(shè)備組件柜溫度控制系統(tǒng)采用的主要降溫方式，本文針對強制對流傳熱方式對降溫措施開展優(yōu)化研究。

2 電氣設(shè)備組件柜的強制對流傳熱分析

目前，在運電氣設(shè)備組件柜一般均采用強制對流傳熱方式，根據(jù)設(shè)備的原理不同，主要有風(fēng)扇、熱交換器和空調(diào)三種方式。這三種方式都是通過驅(qū)動柜內(nèi)空氣流通實現(xiàn)對電氣設(shè)備的降溫處理。

精確的計算電氣設(shè)備組件柜內(nèi)強制對流所傳遞的熱量需要考慮很多因素，本文在進行優(yōu)化措施研究時，采用如下的簡化分析。

圖1 電氣設(shè)備強制對流傳熱示意圖Fig.1 Schematic diagram of forced convection heat transfer of electrical equipment

如圖1所示，在傳熱過程穩(wěn)定后，電氣設(shè)備D的溫度為T0，其單位時間的發(fā)熱量為Q0t，單位時間流過電氣設(shè)備D表面的冷卻空氣流量為St，冷卻空氣的初始溫度為T1。當(dāng)傳熱過程穩(wěn)定時，單位時間內(nèi)電氣設(shè)備D發(fā)出的熱量Q0t等于冷卻空氣帶走的熱量Qt，進一步的，冷卻空氣帶走的熱量Qt與冷卻空氣的流量和初始溫度正相關(guān)，即

式中A為傳熱系數(shù)，其值與流體的物理性質(zhì)以及換熱表面的形狀、大小與布置等眾多因素均有關(guān)系。在傳熱過程穩(wěn)定后，該值是確定的。

從中可以知道，在不改變電氣設(shè)備自身的發(fā)熱量的情況下，如果想降低電氣設(shè)備自身的溫度T0，有兩種優(yōu)化思路，一是增大冷卻空氣流量，單位時間內(nèi)讓更多的空氣流過電氣設(shè)備表面，此時St增大，T1不變的情況下T0下降；二是降低冷卻空氣的初始溫度T1，用溫度更低的空氣去冷卻電氣設(shè)備，此時St不變，T1降低時T0也降低。

本文所述電氣設(shè)備組件柜降溫優(yōu)化措施，從上述兩種思路出發(fā)，進行了優(yōu)化措施的探討和實際驗證。

3 兩種優(yōu)化措施分析及驗證

2017年6～7月份，本項目在220 kV某智能變電站選取了3個間隔，進行了電氣設(shè)備組件柜降溫措施優(yōu)化研究的現(xiàn)場試驗，變電站位于黃石市靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)。其中111間隔智能控制柜采用空調(diào)方式，稱為空調(diào)柜；112間隔智能控制柜采用風(fēng)扇方式，稱為風(fēng)扇柜，120間隔智能控制柜采用熱交換器方式，稱為熱交換器柜。三個智能控制柜中，均在電氣設(shè)備（智能終端）的背板表面放置了溫度傳感器，測量并記錄電氣設(shè)備表面的溫度值。在第一階段（6月1～20日）和第二階段（6月23日～7月16日）中測量得到三個柜子柜內(nèi)最高溫度如表1和表2所示。

表1 第一階段柜內(nèi)最高溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)（單位：℃）Tab.1 The highest temperature monitoring data in the first stage（unit：℃）

3.1 增大冷卻空氣流量措施的現(xiàn)場驗證

在增大冷卻空氣流量措施的現(xiàn)場驗證試驗中，采用熱交換器柜作為對比柜，整個實驗過程中未對該柜進行更改，通過比較風(fēng)扇柜在增大冷卻空氣流量（增大風(fēng)扇工作功率）前后與熱交換器柜的最高溫度差異，判斷增大冷卻空氣流量措施是否起到了降低電氣設(shè)備溫度的效果。

第一階段試驗時間為6月1日～20日，第二階段試驗時間為6月23日～7月16日，6月21日和22日對風(fēng)扇柜的風(fēng)扇進行調(diào)整，增大了風(fēng)扇的工作功率，增加了風(fēng)扇的吹風(fēng)量。根據(jù)表1中第一階段連續(xù)20 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)，風(fēng)扇柜的最高溫度平均比熱交換器柜低1.7℃。根據(jù)表2中第二階段連續(xù)24 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)，風(fēng)扇柜最高溫度平均比熱交換器柜低4.2℃?？芍黾恿孙L(fēng)扇的工作功率后，平均而言風(fēng)扇柜電氣設(shè)備表面的最高溫度下降了2.5℃。

根據(jù)上述測量數(shù)據(jù)，筆者認(rèn)為采用增加冷卻空氣流量的措施（增大風(fēng)扇工作功率是一種措施），可以起到降低柜內(nèi)電氣設(shè)備溫度的效果。

表2 第二階段柜內(nèi)最高溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)（單位：℃）Tab.2 The highest temperature monitoring data in the second stage（unit：℃）

3.2 降低冷卻空氣初始溫度措施的現(xiàn)場驗證

在降低冷卻空氣初始溫度措施的現(xiàn)場驗證試驗中，采用比較空調(diào)柜和熱交換器柜的最高溫度的方式開展?？照{(diào)柜和熱交換器柜采用同一廠家的溫控設(shè)備，其中空調(diào)和熱交換器的功率相同。

本次試驗中，第一階段20 d中空調(diào)柜最高溫度平均比熱交換器柜低7.1℃，第二階段24 d中空調(diào)柜最高溫度平均比熱交換器柜低7.5℃，兩階段平均來看，空調(diào)柜最高溫度平均比熱交換器柜低7.3℃。

根據(jù)本次試驗的監(jiān)測數(shù)據(jù)，空調(diào)柜和熱交換器柜在冷卻空氣流量相同的情況下，空調(diào)柜采用了控制冷卻空氣初始溫度的措施，其柜內(nèi)最高溫度平均比熱交換器柜低7.3℃。因此，采用降低冷卻空氣初始溫度的措施（選用用空調(diào)設(shè)備是一種措施），可以起到降低電氣設(shè)備溫度的效果。

4 兩種優(yōu)化措施的實際應(yīng)用方式分析

從表1和表2的數(shù)據(jù)，可知這兩種溫度控制優(yōu)化措施均可以降低柜內(nèi)電氣設(shè)備溫度，在實際的應(yīng)用過程中，還應(yīng)綜合考慮兩種措施的有機結(jié)合，才能達(dá)到最好的溫控效果。對此，本文從如下兩個方面進行分析。

4.1 降溫效果的可控性

當(dāng)僅采用增大冷卻空氣流量措施而不采用降低冷卻空氣初始溫度措施時，會存在降溫效果不可控的現(xiàn)象。

風(fēng)扇通風(fēng)、熱交換器和空調(diào)本質(zhì)上都是通過電氣設(shè)備附近的空氣流通帶走電氣設(shè)備的熱量，風(fēng)扇通風(fēng)和熱交換器這兩種冷卻方式和空調(diào)的區(qū)別還在于，空調(diào)可以控制冷卻氣流的初始溫度，而風(fēng)扇通風(fēng)和熱交換器不能控制。也就是說，風(fēng)扇方式和熱交換器方式僅能增大冷卻空氣流量、不能控制冷卻空氣初始溫度，而空調(diào)既能增大冷卻空氣流量又能控制冷卻空氣初始溫度。

風(fēng)扇通風(fēng)是直接將柜外的空氣引入柜內(nèi)，由于柜外空氣溫度比柜內(nèi)電氣設(shè)備低，柜外進入的冷空氣吸收電氣設(shè)備的熱量后被排出到柜外，這個過程中電氣設(shè)備的熱量被排到柜外，溫度得到降低。從風(fēng)扇通風(fēng)的工作原理可知，從柜外引入柜內(nèi)的空氣的溫度，就是電氣設(shè)備冷卻氣流的初始溫度。這個初始溫度由電氣設(shè)備組件柜所處的環(huán)境決定，柜內(nèi)的溫度控制措施無法降低該溫度。

熱交換器不是將柜外空氣直接引入柜內(nèi)，而是通過散熱片等換熱設(shè)備將柜內(nèi)熱空氣的熱量傳遞給柜外空氣，柜內(nèi)熱空氣通過散熱片后變成冷空氣。這里流出散熱片的冷空氣的溫度就是電氣設(shè)備冷卻氣流的初始溫度，從熱交換器的工作原理可知，這個初始溫度等于柜外空氣的溫度加上一個正溫度差，無論散熱片的換熱效果多高，柜內(nèi)流出散熱片的冷空氣溫度一定高于柜外環(huán)境空氣溫度。因此，熱交換器方式下，冷卻氣流的初始溫度與柜外空氣溫度強相關(guān)，而且一定高于柜外空氣溫度。

從上述分析中可知，當(dāng)僅采用增大冷卻空氣流量措施時（例如風(fēng)扇方式和熱交換器方式），柜內(nèi)電氣設(shè)備的降溫效果與柜外的環(huán)境溫度關(guān)系很大，當(dāng)柜外環(huán)境溫度較高時，單一采用增大流量措施并不能使柜內(nèi)電氣設(shè)備的溫度降至合理的范圍。根據(jù)表1和表2的實測數(shù)據(jù)，將兩個階段中3個柜子最高溫度的最大值和最小值整理成如表3所示。

表3 三個柜子最高溫度的最大值和最小值（單位：℃）Tab.3 Maximum and minimum values of maximum temperature for three cabinets（unit：℃）

從表3可知，熱交換器柜內(nèi)最高溫度可到47.6℃，風(fēng)扇柜在第二階段試驗中柜內(nèi)最高溫度為43.9℃，可見部分日期時，風(fēng)扇柜和熱交換器柜內(nèi)最高溫度依然較高。相比之下，空調(diào)方式由于同時采用兩種優(yōu)化措施，其柜內(nèi)電氣設(shè)備的降溫效果比較可控。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，空調(diào)柜在試驗日期內(nèi)柜內(nèi)最高溫度為37.4℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)扇柜和熱交換器柜。

除了對比最高溫度的峰值外，降溫效果的可控性還反應(yīng)在不同日期最高溫度值之間的差異。如果這個差異小，說明可控性強，如果這個差異大，說明可控性弱。從表3的數(shù)據(jù)中可以看到，空調(diào)柜在第一階段的最高溫度波動幅度為1.9℃，遠(yuǎn)小于風(fēng)扇柜的9.8℃和熱交換器柜的7.9℃；空調(diào)柜在第二階段的最高溫度波動幅度為2.6℃，遠(yuǎn)小于風(fēng)扇柜的9.3℃和熱交換器柜的10.4℃。將表1和表2的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成曲線如圖2和圖3所示，從圖中可以直觀感受到，空調(diào)柜不同日期最高溫度值的變化范圍明顯小于風(fēng)扇柜和熱交換器柜。

圖2 第一階段3個柜子日最高溫度曲線圖Fig.2 The highest temperature curve of the 3 cabinets in the first stage

圖3 第二階段3個柜子日最高溫度曲線圖Fig.3 The highest temperature curve of 3 cabinets in the second stage

綜上所述，同時采用兩種措施時降溫效果可控性明顯強于單純采用增大流量措施時的可控性。在實際應(yīng)用中，應(yīng)將兩種措施有機結(jié)合統(tǒng)籌利用，以增強電氣設(shè)備降溫效果的可控性。

4.2 避免電氣設(shè)備溫度劇烈變化

如果在電氣設(shè)備需要降溫時，僅采用控制冷卻空氣初始溫度措施、不采用增大冷卻空氣流量措施時，可能存在因控制不當(dāng)導(dǎo)致電氣設(shè)備溫度劇烈變化，而對電氣設(shè)備產(chǎn)生不良影響。

當(dāng)溫度過低的冷卻空氣直接流向溫度較高的電氣設(shè)備時，電氣設(shè)備短時間內(nèi)會經(jīng)歷溫度的驟降，劇烈的溫度變化對電氣設(shè)備產(chǎn)生最直接的影響就是機械力的作用。例如，由于溫度驟降，在設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，可能因此導(dǎo)致彎曲變形、裂紋或斷裂熱疲勞失效；電氣設(shè)備內(nèi)含有各種不同的材料，不同結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)的差異，在溫度驟降時會在不同材料界面產(chǎn)生張應(yīng)力和壓應(yīng)力，導(dǎo)致材料界面出現(xiàn)分層、裂紋、拉脫失效。溫度驟降主要影響電子產(chǎn)品的焊點、粘結(jié)界面、通孔、接插界面等部位的可靠性。

一般而言，電氣設(shè)備組件柜的空調(diào)機設(shè)置為，柜內(nèi)溫度高于35℃啟動制冷，溫度低于25℃時停止制冷。制冷時，溫度較低的冷卻空氣從空調(diào)的出風(fēng)口進入柜體內(nèi)，冷空氣吸收柜內(nèi)熱量后成為熱空氣，熱空氣從空調(diào)的抽風(fēng)口進入空調(diào)機，完成一個柜內(nèi)空氣循環(huán)。當(dāng)空調(diào)機的參數(shù)設(shè)置不合理時，從出風(fēng)口進入柜內(nèi)的冷卻空氣溫度可低至5～10℃，若此時柜內(nèi)溫度為35℃，則冷卻空氣初始溫度和柜內(nèi)空氣溫度的差值在25～30℃之間，若考慮到電氣設(shè)備的溫度一般高于柜內(nèi)空氣溫度，則冷卻空氣初始溫度和電氣設(shè)備的溫度差值可能達(dá)到35～40℃。這種溫度過低的冷卻空氣會迅速降低柜內(nèi)空氣溫度和電氣設(shè)備溫度。當(dāng)柜內(nèi)溫度降低至25℃以下時，空調(diào)機停止制冷，柜內(nèi)電氣設(shè)備和空氣溫度上升，上升至35℃以上時，重復(fù)該制冷過程。因而，當(dāng)空調(diào)出風(fēng)溫度過低時，柜內(nèi)電氣設(shè)備將一直處于“劇烈降溫——升溫——劇烈降溫”的循環(huán)過程中，這將導(dǎo)致劇烈降溫時機械應(yīng)力對電氣設(shè)備產(chǎn)生的危害將不斷累積，最終影響電氣設(shè)備運行的可靠性。根據(jù)現(xiàn)場實測，空調(diào)柜1 h可發(fā)生溫度循環(huán)過程2～4次，則1 d內(nèi)可發(fā)生溫度循環(huán)過程48～96次。

為避免短時劇烈溫度變化對電氣設(shè)備的不良影響，空調(diào)機應(yīng)控制冷卻空氣的初始溫度和電氣設(shè)備溫度之間的差異不應(yīng)過大，本文建議差值在10℃以內(nèi)。當(dāng)需要增大制冷效果時，應(yīng)統(tǒng)籌利用增大冷卻空氣流量和降低冷卻空氣初始溫度的措施，先增大流量，待電氣設(shè)備溫度有所降低后再合理降低冷卻空氣初始溫度。

5 結(jié)語

本文針對目前電氣設(shè)備組件柜普遍存在的電氣設(shè)備溫度過高現(xiàn)象，從強制對流傳熱的原理出發(fā)，提出了增大冷卻空氣流量和降低冷卻空氣初始溫度的優(yōu)化措施，并在220 kV某變電站中對兩項措施進行了實際驗證，驗證結(jié)果顯示兩項措施均可有效降低柜內(nèi)電氣設(shè)備溫度。本文還對單一采用兩種優(yōu)化措施可能帶來的不良影響進行了分析，從增強降溫效果可控性和避免電氣設(shè)備溫度劇烈變化兩個方面出發(fā)，指出應(yīng)將兩項優(yōu)化措施有機結(jié)合統(tǒng)籌利用，才能取得合理的降溫效果。

[參考文獻(xiàn)]（References）

[1]李輝，劉海峰，陳宏，等.湖南省智能變電站戶外匯控柜運行情況分析[J].湖南電力，2016,36(1)：36-39.LI Hui,LIU Haifeng,CHEN Hong,et al.Analysis of operation conditions for outdoor control cabinet in smart substations of Hunan province[J].Hunan Electric Power,2016,36(1)：36-39.

[2]汪洋,王成智,杜鎮(zhèn)安,等.戶外電氣設(shè)備組件柜溫濕度控制技術(shù)研究[J].湖北電力,2017,41(05)：17-21.WANG Yang,WANG Chengzhi,DU Zhen’an,et al.Research on temperature and humidity control technology for outdoor components cabinet of electrical equipment.Hubei Electric Power,2017,41(05)：17-21.

[3]朱云霄，朱云燦，嚴(yán)華，等.智能變電站戶外智能控制柜熱設(shè)計[J].電子機械工程，2013,29(6)：18-22.ZHU Yunxiao,ZHU Yuncan,YAN Hua,et al.Thermal design of intelligent substation outdoor control cabinet[J].Electro-Mechanical Engineering,2013,29(6)：18-22.

[4]張洋，嚴(yán)華，張永峰.智能變電站戶外控制柜風(fēng)機散熱研究及仿真分析[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2012(10)：49-51.ZHANG Yang,YAN Hua,ZHANG Yongfeng.Research and simulation of fan cooling in outdoor control cabinet of intelligent substation[J].CAD/CAM and Manufacturing Informatization,2012(10)：49-51.

[5]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.YANG Shiming,TAO Wenquan.Heat transfer（4th edition）[M].Beijing：Higher Education Press,2006.