楊國金，馬淑慧，鄧雅心，薛 毅，魏仁林

（國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海 西寧 810000）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和電網(wǎng)的發(fā)展，110 kV及以下變電站已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)無人值班，高海拔地區(qū)變電站主流設(shè)計(jì)方案也多為戶內(nèi)變電站，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)維人員調(diào)查統(tǒng)計(jì)，變電站主變室普遍易存在溫度過高、濕度過高、SF6泄漏、發(fā)生火災(zāi)、室內(nèi)氧氣不足等風(fēng)險(xiǎn)隱患，會(huì)影響變電站室內(nèi)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行和使用壽命，同時(shí)運(yùn)維人員現(xiàn)場工作時(shí)，也威脅著運(yùn)維人員人身安全[1-2]。綜合以上因素，對(duì)變電站室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制尤為重要。

目前新建的變電站都配置了變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)，其中環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)作為其子系統(tǒng)之一，僅僅實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、SF6濃度、火災(zāi)等環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，而對(duì)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境并未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。大多數(shù)變電站對(duì)以上幾種情況并未實(shí)現(xiàn)與站內(nèi)風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，個(gè)別變電站也僅實(shí)現(xiàn)溫度與風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，而且基本上所有風(fēng)機(jī)的運(yùn)行都是手動(dòng)操作模式[3]。

針對(duì)以上風(fēng)險(xiǎn)因素，目前的方法是通過聯(lián)動(dòng)控制軸流風(fēng)機(jī)的啟停來進(jìn)行通風(fēng)、換風(fēng)解決[4-5]，而現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)只能靠手動(dòng)完成，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境不滿足要求發(fā)出告警時(shí)需要運(yùn)維人員到現(xiàn)場操作，無人值班模式對(duì)此項(xiàng)運(yùn)維工作帶來很大的壓力。本文提出一種變電站室內(nèi)智能通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制方案，設(shè)計(jì)了一套軸流風(fēng)機(jī)的智能控制模塊，風(fēng)機(jī)的控制模式分手動(dòng)與自動(dòng)，在自動(dòng)運(yùn)行方式下根據(jù)室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)值控制軸流風(fēng)機(jī)的啟停、運(yùn)行數(shù)目、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境自動(dòng)滿足設(shè)備運(yùn)行的要求，從而不需要運(yùn)行人員去現(xiàn)場操作。

本文以某供電公司某110 kV變電站主變室為實(shí)證對(duì)象，對(duì)提出的變電站室內(nèi)智能通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制方案進(jìn)行理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證。

1 技術(shù)原理分析

1.1 室內(nèi)溫度

變電站主變室普遍存在室內(nèi)溫度過高的現(xiàn)象。主變的正常工作溫度為-25 ℃~40 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度超出此范圍會(huì)影響設(shè)備的安全運(yùn)行，尤其是高于40 ℃時(shí)會(huì)影響設(shè)備絕緣，加速設(shè)備老化，進(jìn)而影響設(shè)備安全運(yùn)行[6]。因此需要對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，根據(jù)不同的環(huán)境溫度限值啟動(dòng)部分或全部風(fēng)機(jī)。由于熱空氣在上，本方案采取下進(jìn)風(fēng)、上出風(fēng)的原則。

1.2 室內(nèi)濕度

變電站室內(nèi)均有電纜溝，雨水有可能進(jìn)入其中，且高海拔地區(qū)晝夜溫差較大，會(huì)造成室內(nèi)濕度過高，超過設(shè)備允許的濕度。容易造成電氣設(shè)備發(fā)霉生銹等情況，尤其是對(duì)環(huán)境有嚴(yán)格要求的二次設(shè)備影響安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此需要對(duì)室內(nèi)濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，根據(jù)不同的環(huán)境濕度限值啟動(dòng)部分或全部風(fēng)機(jī)。由于潮濕氣體在下，本方案采取下出風(fēng)，上進(jìn)風(fēng)的原則。

1.3 室內(nèi)SF6氣體

變電站高壓室GIS設(shè)備、充氣柜均采用SF6氣體滅弧、絕緣。由于高海拔對(duì)氣室壁內(nèi)外的壓差及晝夜溫差對(duì)氣室壁內(nèi)外引起熱脹冷縮等原因易使氣室密封性下降，進(jìn)而引起SF6氣體泄漏，SF6氣體為非環(huán)保、易分解產(chǎn)生有毒氣體，對(duì)運(yùn)維人員的生命安全和環(huán)境污染帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)。因此需要對(duì)室內(nèi)SF6氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，當(dāng)監(jiān)測出室內(nèi)存在SF6氣體時(shí)立即啟動(dòng)全部風(fēng)機(jī)。由于SF6氣體密度遠(yuǎn)高于空氣密度，泄漏的SF6氣體位于室內(nèi)較低位置，故本方案采取下出風(fēng)，上進(jìn)風(fēng)的原則。

同時(shí)考慮到SF6氣體的特殊性，前期布置的SF6氣體探測器在通信規(guī)約、接口等方面已無法滿足本方案的數(shù)據(jù)采集，因此必需新配置SF6氣體探測器。

1.4 室內(nèi)氧氣

變電站室內(nèi)為半密封場所，室內(nèi)氧氣有可能不足，運(yùn)維人員在此工作時(shí)會(huì)造成人身傷害。因此需要對(duì)室內(nèi)氧氣濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，根據(jù)不同的氧氣濃度限值啟動(dòng)部分或全部風(fēng)機(jī)。本方案采取下進(jìn)風(fēng)，上出風(fēng)的原則。

1.5 室內(nèi)消防

主變室主變?yōu)槌溆驮O(shè)備，設(shè)備容易發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)?shù)貌坏接行幚頃r(shí)會(huì)引發(fā)火災(zāi)甚至是發(fā)生爆炸，這樣的事故全國發(fā)生過多起。因此需要對(duì)室內(nèi)火災(zāi)情況實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)應(yīng)立即自動(dòng)切斷全部風(fēng)機(jī)電源。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 軸流風(fēng)機(jī)的確定

根據(jù)變電站高壓設(shè)備的發(fā)熱原理，高壓設(shè)備室內(nèi)采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的通風(fēng)方式。通風(fēng)量按夏季排風(fēng)溫度不超過40 ℃，進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)溫差不超過15 ℃設(shè)計(jì)；同時(shí)通風(fēng)換氣量均能滿足不小于換氣次數(shù)6次/h的事故排風(fēng)量，計(jì)算確定出軸流風(fēng)機(jī)的參數(shù)及數(shù)量，選用型號(hào)為X-FJ/A-2.8、通風(fēng)量為2 360 m3/h的軸流風(fēng)機(jī)，其數(shù)量計(jì)算[7-8]如下：

1）按換氣次數(shù)法計(jì)算的通風(fēng)量：

式中：G為排風(fēng)量，m3/h；V為房間容積，m3；N為換氣次數(shù)，次/h。

主變室容積V為1 040 m3；n =6次/h；經(jīng)計(jì)算，G=6 240 m3/h。

2）室內(nèi)所需風(fēng)機(jī)數(shù)量

式中：G為按換氣次數(shù)法計(jì)算的通風(fēng)量，m3/h；g為單臺(tái)風(fēng)機(jī)通風(fēng)量，m3/h；N為室內(nèi)風(fēng)機(jī)數(shù)量，臺(tái)。

理論上計(jì)算室內(nèi)通風(fēng)量時(shí)要考慮按換氣次數(shù)法、消除余熱、消除余濕、釋有害物質(zhì)濃度所需通風(fēng)量四種工況，但對(duì)于變電站設(shè)計(jì)主變室所需通風(fēng)量工程上只按換氣次數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，N =2.64；取N =3臺(tái)，則能滿足室內(nèi)各種條件下通風(fēng)需求。

2.2 軸流風(fēng)機(jī)的智能控制模塊

通過在變電站室內(nèi)安裝溫度、濕度、SF6、氧氣濃度、火災(zāi)等探測器實(shí)時(shí)采集變電站室內(nèi)溫度、濕度、SF6濃度、氧氣濃度、火災(zāi)等信息，將其轉(zhuǎn)化為電氣量或開關(guān)量，送入風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制模塊，通過模塊的邏輯運(yùn)算實(shí)時(shí)控制軸流風(fēng)機(jī)的啟停、運(yùn)行數(shù)目、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)，最終使得室內(nèi)環(huán)境滿足人員工作和設(shè)備運(yùn)行的正常要求。

2.2.1 軸流風(fēng)機(jī)手動(dòng)控制

根據(jù)大量調(diào)研，目前變電站室內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)控制靠人工手動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的啟停，未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，其控制原理如圖1所示。

圖1 原有軸流風(fēng)機(jī)控制原理圖

該方案為現(xiàn)場手動(dòng)控制，其缺點(diǎn)為：

1）控制模式單一、不能根據(jù)環(huán)境的各種實(shí)測值對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；

2）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向固定，無法滿足不同控制對(duì)象的要求，使得控制效果不佳；

3）當(dāng)需要控制風(fēng)機(jī)時(shí)需運(yùn)維人員到現(xiàn)場操作，增加了運(yùn)維工作量。

2.2.2 軸流風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制

在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制功能。多個(gè)控制參數(shù)（溫度、濕度、SF6、氧氣濃度、煙感）傳感器數(shù)值通過并聯(lián)方式接入自動(dòng)控制模塊，通過繼電器開閉控制軸流風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)（轉(zhuǎn)向）、停止等，從而實(shí)現(xiàn)變電站室內(nèi)環(huán)境因素的自動(dòng)控制，滿足無人值班及設(shè)備安全運(yùn)行的要求，其控制原理圖如圖2和圖3所示。

圖2 基于繼電器的軸流風(fēng)機(jī)控制原理圖

圖3 風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理圖

方案基于原有手動(dòng)控制基礎(chǔ)上增加自動(dòng)控制模式，能夠節(jié)約運(yùn)維成本。但風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制模式也相對(duì)單一，僅僅實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)的啟停，而對(duì)于聯(lián)動(dòng)程度如開機(jī)數(shù)量、風(fēng)速、運(yùn)行時(shí)間沒有區(qū)別控制，無法做到靈活控制、節(jié)能降本。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，將多個(gè)控制參數(shù)的實(shí)測值進(jìn)行限值區(qū)別，優(yōu)先級(jí)劃分，通過可編程邏輯控制器控制軸流風(fēng)機(jī)的啟停，包括啟停數(shù)目，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速，運(yùn)行時(shí)間等，其控制原理圖如圖4所示。

圖4 基于可編程邏輯控制器的控制原理圖

該方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)的啟停，而且深化聯(lián)動(dòng)程度，如開機(jī)數(shù)量、風(fēng)速、運(yùn)行時(shí)間等，充分做到靈活控制、節(jié)能增效。

3 案例驗(yàn)證

3.1 案例選擇

該站主變本體與散熱器在同一房間，高負(fù)荷時(shí)室內(nèi)溫度較高，而當(dāng)環(huán)境溫度高于40 ℃時(shí)會(huì)影響設(shè)備絕緣，加速設(shè)備老化，進(jìn)而影響設(shè)備安全運(yùn)行。

3.2 室內(nèi)溫度參數(shù)歷史數(shù)據(jù)

在安裝智能通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制裝置之前三個(gè)月收集了較為影響設(shè)備運(yùn)行的溫度作為重點(diǎn)驗(yàn)證的對(duì)象?？梢钥闯鲇^察記錄最高可達(dá)45.3 ℃。圖5是該站主變室三個(gè)月典型日的溫度曲線記錄。

圖5 7-9月典型日主變室內(nèi)溫度曲線圖

3.3 系統(tǒng)安裝后各環(huán)境實(shí)測值

3.3.1 系統(tǒng)配置

現(xiàn)場配置2個(gè)溫濕度傳感器，2個(gè)氧氣傳感器和1個(gè)煙感傳感器，以上設(shè)備信息均接入聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.3.2 室內(nèi)溫度值

安裝智能通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)之后室內(nèi)環(huán)境溫度的曲線圖如圖6所示。

圖6 主變室內(nèi)溫度曲線圖

由圖6可以看出，溫度曲線走勢與該地區(qū)氣象溫度走勢保持一致，同時(shí)每天的溫度曲線與時(shí)間、負(fù)荷情況也基本保持一致。在聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的輔助控制下主變室內(nèi)溫度值始終未超過設(shè)定值30 ℃，滿足設(shè)備正常運(yùn)行的環(huán)境溫度范圍，實(shí)現(xiàn)智能控制。

3.3.3 室內(nèi)濕度值

安裝智能通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)之后室內(nèi)環(huán)境濕度的曲線圖如圖7所示。

圖7 主變室內(nèi)濕度曲線圖

由圖7可以看出濕度曲線走勢與該地區(qū)氣象濕度走勢基本保持一致。在聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的輔助控制下變電站室內(nèi)濕度值始終未超過25%RH，滿足設(shè)備正常運(yùn)行的環(huán)境濕度范圍，實(shí)現(xiàn)智能控制。

3.3.4 室內(nèi)氧氣值

安裝智能通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)之后室內(nèi)環(huán)境氧氣濃度值的曲線圖如圖8所示。

圖8 主變室內(nèi)氧氣含量曲線圖

在智能通風(fēng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的輔助控制下變電站室內(nèi)氧氣度值始終在安全的范圍以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)智能控制。

4 結(jié)論

針對(duì)變電站室內(nèi)的通風(fēng)控制問題，使用智能通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制方法，通過實(shí)際案例驗(yàn)證能夠解決室內(nèi)環(huán)境不利于工作人員和設(shè)備運(yùn)行的問題，實(shí)現(xiàn)了以下目的。

1）將密閉空間氧氣不足，高壓室含SF6有害氣體這兩大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)基本杜絕，排除運(yùn)維人員現(xiàn)場工作的安全隱患

2）運(yùn)維人員在進(jìn)入高壓室工作之前，不需要再手動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)的準(zhǔn)備工作，智能通風(fēng)系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成這些準(zhǔn)備工作，提高運(yùn)維人員現(xiàn)場工作的效率。

3）通過智能通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)h(huán)境溫度、濕度控制在設(shè)備的正常使用范圍內(nèi)，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行和正常使用壽命。