變電站室內智能通風聯動控制研究與應用

楊國金，馬淑慧，鄧雅心，薛 毅，魏仁林

（國網青海省電力公司經濟技術研究院，青海 西寧 810000）

0 引言

隨著科技的進步和電網的發展，110 kV及以下變電站已經全部實現無人值班，高海拔地區變電站主流設計方案也多為戶內變電站，根據現場運維人員調查統計，變電站主變室普遍易存在溫度過高、濕度過高、SF6泄漏、發生火災、室內氧氣不足等風險隱患，會影響變電站室內電氣設備的安全運行和使用壽命，同時運維人員現場工作時，也威脅著運維人員人身安全[1-2]。綜合以上因素，對變電站室內環境進行實時監測與控制尤為重要。

目前新建的變電站都配置了變電站輔助監控系統，其中環境監測系統作為其子系統之一，僅僅實現溫度、濕度、SF6濃度、火災等環境的實時監測，而對設備運行環境并未實現實時控制。大多數變電站對以上幾種情況并未實現與站內風機聯動，個別變電站也僅實現溫度與風機聯動，而且基本上所有風機的運行都是手動操作模式[3]。

針對以上風險因素，目前的方法是通過聯動控制軸流風機的啟停來進行通風、換風解決[4-5]，而現有的風機啟動只能靠手動完成，當室內環境不滿足要求發出告警時需要運維人員到現場操作，無人值班模式對此項運維工作帶來很大的壓力。本文提出一種變電站室內智能通風聯動控制方案，設計了一套軸流風機的智能控制模塊，風機的控制模式分手動與自動，在自動運行方式下根據室內各種環境參數的實時值控制軸流風機的啟停、運行數目、轉速、轉向、運行時間等參數，以實現室內環境自動滿足設備運行的要求，從而不需要運行人員去現場操作。

本文以某供電公司某110 kV變電站主變室為實證對象，對提出的變電站室內智能通風聯動控制方案進行理論研究和實際工程應用驗證。

1 技術原理分析

1.1 室內溫度

變電站主變室普遍存在室內溫度過高的現象。主變的正常工作溫度為-25 ℃~40 ℃，當環境溫度超出此范圍會影響設備的安全運行，尤其是高于40 ℃時會影響設備絕緣，加速設備老化，進而影響設備安全運行[6]。因此需要對室內溫度進行實時監測與控制，根據不同的環境溫度限值啟動部分或全部風機。由于熱空氣在上，本方案采取下進風、上出風的原則。

1.2 室內濕度

變電站室內均有電纜溝，雨水有可能進入其中，且高海拔地區晝夜溫差較大，會造成室內濕度過高，超過設備允許的濕度。容易造成電氣設備發霉生銹等情況，尤其是對環境有嚴格要求的二次設備影響安全穩定運行。因此需要對室內濕度進行實時監測與控制，根據不同的環境濕度限值啟動部分或全部風機。由于潮濕氣體在下，本方案采取下出風，上進風的原則。

1.3 室內SF6氣體

變電站高壓室GIS設備、充氣柜均采用SF6氣體滅弧、絕緣。由于高海拔對氣室壁內外的壓差及晝夜溫差對氣室壁內外引起熱脹冷縮等原因易使氣室密封性下降，進而引起SF6氣體泄漏，SF6氣體為非環保、易分解產生有毒氣體，對運維人員的生命安全和環境污染帶來較大的風險。因此需要對室內SF6氣體進行實時監測與控制，當監測出室內存在SF6氣體時立即啟動全部風機。由于SF6氣體密度遠高于空氣密度，泄漏的SF6氣體位于室內較低位置，故本方案采取下出風，上進風的原則。

同時考慮到SF6氣體的特殊性，前期布置的SF6氣體探測器在通信規約、接口等方面已無法滿足本方案的數據采集，因此必需新配置SF6氣體探測器。

1.4 室內氧氣

變電站室內為半密封場所，室內氧氣有可能不足，運維人員在此工作時會造成人身傷害。因此需要對室內氧氣濃度實時監測與控制，根據不同的氧氣濃度限值啟動部分或全部風機。本方案采取下進風，上出風的原則。

1.5 室內消防

主變室主變為充油設備，設備容易發生火災，當得不到有效處理時會引發火災甚至是發生爆炸，這樣的事故全國發生過多起。因此需要對室內火災情況實時監測與控制，當室內發生火災時應立即自動切斷全部風機電源。

2 方案設計

2.1 軸流風機的確定

根據變電站高壓設備的發熱原理，高壓設備室內采用自然進風、機械排風的通風方式。通風量按夏季排風溫度不超過40 ℃，進風和排風溫差不超過15 ℃設計；同時通風換氣量均能滿足不小于換氣次數6次/h的事故排風量，計算確定出軸流風機的參數及數量，選用型號為X-FJ/A-2.8、通風量為2 360 m3/h的軸流風機，其數量計算[7-8]如下：

1）按換氣次數法計算的通風量：

式中：G為排風量，m3/h；V為房間容積，m3；N為換氣次數，次/h。

主變室容積V為1 040 m3；n =6次/h；經計算，G=6 240 m3/h。

2）室內所需風機數量

式中：G為按換氣次數法計算的通風量，m3/h；g為單臺風機通風量，m3/h；N為室內風機數量，臺。

理論上計算室內通風量時要考慮按換氣次數法、消除余熱、消除余濕、釋有害物質濃度所需通風量四種工況，但對于變電站設計主變室所需通風量工程上只按換氣次數法進行計算。

經計算，N =2.64；取N =3臺，則能滿足室內各種條件下通風需求。

2.2 軸流風機的智能控制模塊

通過在變電站室內安裝溫度、濕度、SF6、氧氣濃度、火災等探測器實時采集變電站室內溫度、濕度、SF6濃度、氧氣濃度、火災等信息，將其轉化為電氣量或開關量，送入風機聯動控制模塊，通過模塊的邏輯運算實時控制軸流風機的啟停、運行數目、轉速、轉向，運行時間等參數，最終使得室內環境滿足人員工作和設備運行的正常要求。

2.2.1 軸流風機手動控制

根據大量調研，目前變電站室內軸流風機控制靠人工手動控制來實現風機的啟停，未實現自動控制，其控制原理如圖1所示。

圖1 原有軸流風機控制原理圖

該方案為現場手動控制，其缺點為：

1）控制模式單一、不能根據環境的各種實測值對環境進行實時控制；

2）風機轉向固定，無法滿足不同控制對象的要求，使得控制效果不佳；

3）當需要控制風機時需運維人員到現場操作，增加了運維工作量。

2.2.2 軸流風機聯動控制

在現有風機手動控制的基礎上增加自動聯動控制功能。多個控制參數（溫度、濕度、SF6、氧氣濃度、煙感）傳感器數值通過并聯方式接入自動控制模塊，通過繼電器開閉控制軸流風機的啟動（轉向）、停止等，從而實現變電站室內環境因素的自動控制，滿足無人值班及設備安全運行的要求，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機控制原理圖

圖3 風機正反轉控制原理圖

方案基于原有手動控制基礎上增加自動控制模式，能夠節約運維成本。但風機自動控制模式也相對單一，僅僅實現風機聯動的啟停，而對于聯動程度如開機數量、風速、運行時間沒有區別控制，無法做到靈活控制、節能降本。

在此基礎上進一步優化，將多個控制參數的實測值進行限值區別，優先級劃分，通過可編程邏輯控制器控制軸流風機的啟停，包括啟停數目，風機轉向、轉速，運行時間等，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

該方案不僅能夠實現風機聯動的啟停，而且深化聯動程度，如開機數量、風速、運行時間等，充分做到靈活控制、節能增效。

3 案例驗證

3.1 案例選擇

該站主變本體與散熱器在同一房間，高負荷時室內溫度較高，而當環境溫度高于40 ℃時會影響設備絕緣，加速設備老化，進而影響設備安全運行。

3.2 室內溫度參數歷史數據

在安裝智能通風聯動控制裝置之前三個月收集了較為影響設備運行的溫度作為重點驗證的對象?？梢钥闯鲇^察記錄最高可達45.3 ℃。圖5是該站主變室三個月典型日的溫度曲線記錄。

圖5 7-9月典型日主變室內溫度曲線圖

3.3 系統安裝后各環境實測值

3.3.1 系統配置

現場配置2個溫濕度傳感器，2個氧氣傳感器和1個煙感傳感器，以上設備信息均接入聯動控制系統。

3.3.2 室內溫度值

安裝智能通風聯動控制系統之后室內環境溫度的曲線圖如圖6所示。

圖6 主變室內溫度曲線圖

由圖6可以看出，溫度曲線走勢與該地區氣象溫度走勢保持一致，同時每天的溫度曲線與時間、負荷情況也基本保持一致。在聯動系統的輔助控制下主變室內溫度值始終未超過設定值30 ℃，滿足設備正常運行的環境溫度范圍，實現智能控制。

3.3.3 室內濕度值

安裝智能通風聯動控制系統之后室內環境濕度的曲線圖如圖7所示。

圖7 主變室內濕度曲線圖

由圖7可以看出濕度曲線走勢與該地區氣象濕度走勢基本保持一致。在聯動系統的輔助控制下變電站室內濕度值始終未超過25%RH，滿足設備正常運行的環境濕度范圍，實現智能控制。

3.3.4 室內氧氣值

安裝智能通風聯動控制系統之后室內環境氧氣濃度值的曲線圖如圖8所示。

圖8 主變室內氧氣含量曲線圖

在智能通風聯動系統的輔助控制下變電站室內氧氣度值始終在安全的范圍以內，實現智能控制。

4 結論

針對變電站室內的通風控制問題，使用智能通風聯動控制方法，通過實際案例驗證能夠解決室內環境不利于工作人員和設備運行的問題，實現了以下目的。

1）將密閉空間氧氣不足，高壓室含SF6有害氣體這兩大風險點基本杜絕，排除運維人員現場工作的安全隱患

2）運維人員在進入高壓室工作之前，不需要再手動進行通風的準備工作，智能通風系統能夠自動完成這些準備工作，提高運維人員現場工作的效率。

3）通過智能通風系統能夠將環境溫度、濕度控制在設備的正常使用范圍內，保障設備的安全穩定運行和正常使用壽命。