一種智能變電站移動組合式應(yīng)急散熱裝置的研制

任浩賢 蔣豐宇 張公生 溫東升 林雄德

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東 江門 529000）

1 技術(shù)背景

近年來電力技術(shù)迅速發(fā)展，智能變電站不僅具有過程層網(wǎng)絡(luò)全過程管控的功能，能實現(xiàn)“智能錄波器+在線管控系統(tǒng)”整體監(jiān)視方案，而且具有過程層網(wǎng)絡(luò)信息安全高效傳輸和精準(zhǔn)對時功能。毋庸置疑，智能變電站是今后電力系統(tǒng)中變電站發(fā)展的新方向，然而發(fā)展過程中也浮現(xiàn)出了一些痛點[1]。就常見的匯控柜而言，現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)良好的溫濕度控制和防護性能，且工作環(huán)境惡劣，一旦溫控設(shè)備出現(xiàn)故障，柜內(nèi)溫度快速上升，各類電氣元件就將在極高的溫度下運行，極易引發(fā)相關(guān)一二次設(shè)備聯(lián)鎖問題，對電網(wǎng)安全運行十分不利。電網(wǎng)研究表明，目前出現(xiàn)這類問題時，電網(wǎng)運維部門需等待專業(yè)的溫控設(shè)備廠家前往故障點進行維修，周期較長，缺乏及時性。因此，為滿足電力行業(yè)的發(fā)展需要，確保智能變電站安全、穩(wěn)定運行，研發(fā)一套智能變電站的匯控柜散熱應(yīng)急方案成為當(dāng)務(wù)之急。

現(xiàn)階段，電力行業(yè)的匯控柜主要散熱方式有風(fēng)扇散熱、熱交換器散熱和空調(diào)散熱。風(fēng)扇散熱通過安裝在匯控柜內(nèi)部的風(fēng)扇來強迫機柜內(nèi)部風(fēng)道實現(xiàn)內(nèi)外空氣的流通，進而實現(xiàn)柜內(nèi)的熱量發(fā)散，散熱效率較高、重量較輕、運行成本低，但使用壽命較短，易出現(xiàn)故障；熱交換器散熱通過安裝在匯控柜內(nèi)的熱交換器實現(xiàn)柜內(nèi)外的熱量傳導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，穩(wěn)定性不足；空調(diào)散熱是通過在匯控柜上安裝空調(diào)來實現(xiàn)散熱，其優(yōu)點是可將內(nèi)部和外部環(huán)境完全隔絕，但在壽命周期內(nèi)出現(xiàn)故障的可能性較高，且維修較難。

基于上述分析，本文致力于研制一種智能變電站移動組合式風(fēng)冷應(yīng)急散熱裝置，用于解決智能變電站中匯控柜的散熱裝置故障應(yīng)急問題，新型風(fēng)冷散熱裝置的應(yīng)用可有效降低智能變電站內(nèi)因智能終端散熱系統(tǒng)故障引發(fā)一系列設(shè)備故障的概率，有效減少運維風(fēng)險，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2 產(chǎn)品機構(gòu)設(shè)計與功能原理

由現(xiàn)有技術(shù)分析可知，備用工業(yè)風(fēng)扇在智能終端散熱系統(tǒng)故障時臨時開啟，風(fēng)量大，但氣流方向雜亂，不適合構(gòu)建箱內(nèi)風(fēng)道，也因此會影響內(nèi)部各模塊的散熱；其次，越接近風(fēng)扇中心風(fēng)力就越弱，軸承部位是盲區(qū)，沒辦法將散熱效率最大化；最后，由于部分空氣會被反彈，風(fēng)扇還要抵消這部分反彈回來的空氣的沖擊，所以散熱能力被進一步削弱。此外，風(fēng)扇無法解決凝露問題，可能導(dǎo)致智能裝置表面出現(xiàn)凝露水珠，影響設(shè)備穩(wěn)定運行。因此，為安全高效地解決匯控柜的應(yīng)急散熱問題，本文從散熱問題的時效性出發(fā)，設(shè)計一款能簡單快速實現(xiàn)降溫除濕的應(yīng)急散熱裝置，其具備以下特點：（1）該裝置可根據(jù)具體需求靈活配置；（2）該裝置的結(jié)構(gòu)元件部分可折疊，收納方便；（3）該裝置自帶大功率高顯熱比的變頻渦旋散熱系統(tǒng)，制冷迅速。

2.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能變電站移動組合式風(fēng)冷應(yīng)急散熱裝置主體由兩部分構(gòu)成，如圖1所示，左側(cè)為大功率高顯熱比的變頻渦旋散熱裝置，集成溫濕度控制動態(tài)監(jiān)測、凝露動態(tài)監(jiān)測功能，裝置內(nèi)部設(shè)有激光雷達(dá)定位裝置、中樞控制器、傳感器系統(tǒng)以及相關(guān)控制回路等部件，構(gòu)成智能控制識別系統(tǒng)的執(zhí)行端；右側(cè)為散熱系統(tǒng)框架，大小能包裹一套或多套智能控制屏的外部，兩側(cè)通過風(fēng)管或風(fēng)道相連。此外，本項目的軟件（集成上位機的ROS操作系統(tǒng)）置于后臺監(jiān)控電腦中。散熱系統(tǒng)框架部分為可折疊式結(jié)構(gòu)，當(dāng)不使用時可自動折疊，減少對變電站室內(nèi)空間的占用。

圖1 智能變電站移動組合式風(fēng)冷應(yīng)急散熱裝置整體外觀

圖2為本智能風(fēng)冷散熱裝置平面圖，其主要由風(fēng)冷空調(diào)、空調(diào)出風(fēng)口、管道、進風(fēng)口、鋁合金框架、鋁合金框架連接件、萬向腳輪、帶磁吸的PVC卷簾、可折疊式封板、封板合頁、封板鎖扣組成。其中，鋁合金框架、鋁合金框架連接件、帶磁吸的PVC卷簾、可折疊式封板等散熱系統(tǒng)框架配件靈活可拉伸折疊，以便將框架體積縮小進行收納[2]。此外，空調(diào)管道的移動式不銹鋼，可配合散熱系統(tǒng)框架實現(xiàn)伸縮功能。

圖2 智能變電站移動組合式應(yīng)急風(fēng)冷散熱裝置平面圖

2.2 智能風(fēng)冷散熱裝置的功能原理與實施方法

正常情況下，本裝置會放置在應(yīng)用此裝置的設(shè)備室或保護室對應(yīng)的定置點；當(dāng)智能變電站室內(nèi)柜體的散熱裝置發(fā)生故障時，后臺監(jiān)控電腦收到故障信號后將通過本項目的控制后臺發(fā)送相應(yīng)控制信號至本體的中樞控制器；本裝置根據(jù)后臺數(shù)據(jù)庫所建的設(shè)備地圖及激光雷達(dá)定位裝置進行故障柜定位，并立即前往；移動到位后自啟動，展開折疊部分將故障的裝置包裹，同時啟動風(fēng)冷空調(diào)進行制冷除濕；到達(dá)故障柜后，裝置自動展開并將故障柜包裹，根據(jù)所設(shè)定溫濕度啟動變頻旋渦散熱裝置對柜體進行降溫除濕；待維修人員將故障柜的智能裝置散熱系統(tǒng)修復(fù)完成后，可手動將本系統(tǒng)退出運行，使其自動折疊并回到固定地點。與此同時，本裝置也可以由變電站運維人員手動攜帶到散熱裝置故障的屏柜附近，手動展開散熱系統(tǒng)框架，打開PVC卷簾，通過風(fēng)管連接到戶外變頻旋渦散熱裝置，接上電源后即可啟動本智能風(fēng)冷散熱裝置，完成對屏柜溫濕度的控制。當(dāng)屏柜內(nèi)熱氣流遇冷發(fā)生凝露時，集成的凝露動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動監(jiān)測到凝露現(xiàn)象，調(diào)整變頻旋渦散熱裝置出風(fēng)模式，實施凝露控制。

本裝置可根據(jù)變電站實際情況分類實施：對于GIS智能變電站，可采用無人工干預(yù)下自動模式，GIS變電站設(shè)備多集中在室內(nèi)，而智能控制屏柜集中在室內(nèi)GIS設(shè)備室、保護室等，這些地方道路平整，屏柜布局合理，能有效提高智能風(fēng)冷散熱裝置到位的可靠性。此種方法也可有效提高運維人員處理此類故障的效率，大大縮短運維時間。而對于常規(guī)的敞開式變電站，站內(nèi)匯控柜在室外，運行環(huán)境較差，此類匯控柜散熱裝置發(fā)生問題時，由運維人員在接到調(diào)度監(jiān)控員的電話后45min內(nèi)到站處理。因此，通常可在每個變電站配置兩套該智能風(fēng)冷散熱裝置，在能實現(xiàn)自動處理故障條件的變電站，本裝置預(yù)裝好隨時待機啟動；在常規(guī)的敞開式變電站，本裝置分體放置在固定位置，方便運維人員快速搬運到現(xiàn)場。

3 現(xiàn)場驗證與效果分析

智能風(fēng)冷散熱裝置成品及其使用情況如圖3所示。為了對本裝置使用效果進行測試，在某變電站內(nèi)選用幾組備用間隔匯控柜模擬內(nèi)部空調(diào)故障，將目前電網(wǎng)運維中的解決方法和使用新裝置后的方法進行了對比試驗，測試結(jié)果如表1所示。

圖3 智能風(fēng)冷散熱裝置及其現(xiàn)場使用情況

表1 匯控柜散熱故障處理情況對比分析表

由表1可以看出，使用本文研制的應(yīng)急裝置后，僅需1～2名人員即可完成工作，且耗時在0.5h以內(nèi)。該裝置操作過程簡單，極大地提高了運行人員的維護效率，并間接降低了柜內(nèi)各裝置回路因高溫高濕而故障的可能性。此外，本裝置根據(jù)要求可快速響應(yīng)的特點具有較強的實用價值。據(jù)了解，當(dāng)有二次屏柜內(nèi)發(fā)生散熱故障或裝置發(fā)熱發(fā)出故障告警時，電網(wǎng)公司要求無人值守的電站運維人員在45min內(nèi)趕到，本智能散熱裝置可以在運維人員趕到之前、故障發(fā)生之后短時間內(nèi)完成對故障的初步處置，最大限度保證變電站內(nèi)設(shè)備安全。

4 本裝置的多維度發(fā)散研究

通過實踐發(fā)現(xiàn)，還可對本裝置進行以下升級改造或拓展[3]：

（1）把本裝置的散熱裝置外罩替換為鋁合金、黃銅或青銅做成的板狀、片狀、多片狀熱交換器散熱，貼在智能終端外層，使元器件發(fā)出的熱量傳導(dǎo)到散熱片上，再經(jīng)散熱片散發(fā)到周圍空氣中去。同時，把變頻渦旋散熱替換為水冷或油冷熱轉(zhuǎn)換裝置，對熱管進行降溫，同樣能達(dá)到目的，還能簡化裝置的拆裝折疊步驟。

（2）在匯控柜底部防火泥或柜體其他位置安裝預(yù)留好冷媒進出管道及電源線管道，管道（超細(xì)管）兩頭采用單向閥進行固封，對現(xiàn)有智能變電站內(nèi)的戶外匯控柜進行預(yù)埋小管道的改造。當(dāng)設(shè)備散熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，采用移動的分體式溫控設(shè)備，快速將可移動分體式溫控設(shè)備接入預(yù)制散熱管路中，并連接好冷媒的進出管及電源線，啟動本裝置對匯控柜進行快速降溫。

5 結(jié)語

隨著智能變電站的逐步推廣，高度集約化智能終端的散熱系統(tǒng)故障導(dǎo)致智能設(shè)備出現(xiàn)運行風(fēng)險的矛盾越發(fā)突出。本文針對智能變電站運維過程中的剛需問題，設(shè)計了智能變電站移動組合式應(yīng)急散熱裝置，集成溫濕度監(jiān)控、凝露控制功能，具有配置靈活、占用空間小、降溫迅速的特點，可有效解決智能變電站內(nèi)智能終端散熱系統(tǒng)故障可能引發(fā)的設(shè)備問題，顯著提高智能變電站運行維護的可靠性，具有極高的工業(yè)實用價值且便于推廣，可為后續(xù)智能變電站運維智能一體化提供研究與實踐基礎(chǔ)。