变电站室内智能通风联动控制研究与应用

杨国金，马淑慧，邓雅心，薛 毅，魏仁林

（国网青海省电力公司经济技术研究院，青海 西宁 810000）

随着科技的进步和电网的发展，110 kV及以下变电站已经全部实现无人值班，高海拔地区变电站主流设计方案也多为户内变电站，根据现场运维人员调查统计，变电站主变室普遍易存在温度过高、湿度过高、SF6泄漏、发生火灾、室内氧气不足等风险隐患，会影响变电站室内电气设备的安全运行和使用寿命，同时运维人员现场工作时，也威胁着运维人员人身安全[1-2]。综合以上因素，对变电站室内环境进行实时监测与控制尤为重要。

目前新建的变电站都配置了变电站辅助监控系统，其中环境监测系统作为其子系统之一，仅仅实现温度、湿度、SF6浓度、火灾等环境的实时监测，而对设备运行环境并未实现实时控制。大多数变电站对以上几种情况并未实现与站内风机联动，个别变电站也仅实现温度与风机联动，而且基本上所有风机的运行都是手动操作模式[3]。

针对以上风险因素，目前的方法是通过联动控制轴流风机的启停来进行通风、换风解决[4-5]，而现有的风机启动只能靠手动完成，当室内环境不满足要求发出告警时需要运维人员到现场操作，无人值班模式对此项运维工作带来很大的压力。本文提出一种变电站室内智能通风联动控制方案，设计了一套轴流风机的智能控制模块，风机的控制模式分手动与自动，在自动运行方式下根据室内各种环境参数的实时值控制轴流风机的启停、运行数目、转速、转向、运行时间等参数，以实现室内环境自动满足设备运行的要求，从而不需要运行人员去现场操作。

本文以某供电公司某110 kV变电站主变室为实证对象，对提出的变电站室内智能通风联动控制方案进行理论研究和实际工程应用验证。

1.1 室内温度

变电站主变室普遍存在室内温度过高的现象。主变的正常工作温度为-25 ℃~40 ℃，当环境温度超出此范围会影响设备的安全运行，尤其是高于40 ℃时会影响设备绝缘，加速设备老化，进而影响设备安全运行[6]。因此需要对室内温度进行实时监测与控制，根据不同的环境温度限值启动部分或全部风机。由于热空气在上，本方案采取下进风、上出风的原则。

1.2 室内湿度

变电站室内均有电缆沟，雨水有可能进入其中，且高海拔地区昼夜温差较大，会造成室内湿度过高，超过设备允许的湿度。容易造成电气设备发霉生锈等情况，尤其是对环境有严格要求的二次设备影响安全稳定运行。因此需要对室内湿度进行实时监测与控制，根据不同的环境湿度限值启动部分或全部风机。由于潮湿气体在下，本方案采取下出风，上进风的原则。

1.3 室内SF6气体

变电站高压室GIS设备、充气柜均采用SF6气体灭弧、绝缘。由于高海拔对气室壁内外的压差及昼夜温差对气室壁内外引起热胀冷缩等原因易使气室密封性下降，进而引起SF6气体泄漏，SF6气体为非环保、易分解产生有毒气体，对运维人员的生命安全和环境污染带来较大的风险。因此需要对室内SF6气体进行实时监测与控制，当监测出室内存在SF6气体时立即启动全部风机。由于SF6气体密度远高于空气密度，泄漏的SF6气体位于室内较低位置，故本方案采取下出风，上进风的原则。

同时考虑到SF6气体的特殊性，前期布置的SF6气体探测器在通信规约、接口等方面已无法满足本方案的数据采集，因此必需新配置SF6气体探测器。

1.4 室内氧气

变电站室内为半密封场所，室内氧气有可能不足，运维人员在此工作时会造成人身伤害。因此需要对室内氧气浓度实时监测与控制，根据不同的氧气浓度限值启动部分或全部风机。本方案采取下进风，上出风的原则。

1.5 室内消防

主变室主变为充油设备，设备容易发生火灾，当得不到有效处理时会引发火灾甚至是发生爆炸，这样的事故全国发生过多起。因此需要对室内火灾情况实时监测与控制，当室内发生火灾时应立即自动切断全部风机电源。

2.1 轴流风机的确定

根据变电站高压设备的发热原理，高压设备室内采用自然进风、机械排风的通风方式。通风量按夏季排风温度不超过40 ℃，进风和排风温差不超过15 ℃设计；
同时通风换气量均能满足不小于换气次数6次/h的事故排风量，计算确定出轴流风机的参数及数量，选用型号为X-FJ/A-2.8、通风量为2 360 m3/h的轴流风机，其数量计算[7-8]如下：

1）按换气次数法计算的通风量：

式中：G为排风量，m3/h；
V为房间容积，m3；
N为换气次数，次/h。

主变室容积V为1 040 m3；
n =6次/h；
经计算，G=6 240 m3/h。

2）室内所需风机数量

式中：G为按换气次数法计算的通风量，m3/h；
g为单台风机通风量，m3/h；
N为室内风机数量，台。

理论上计算室内通风量时要考虑按换气次数法、消除余热、消除余湿、释有害物质浓度所需通风量四种工况，但对于变电站设计主变室所需通风量工程上只按换气次数法进行计算。

经计算，N =2.64；
取N =3台，则能满足室内各种条件下通风需求。

2.2 轴流风机的智能控制模块

通过在变电站室内安装温度、湿度、SF6、氧气浓度、火灾等探测器实时采集变电站室内温度、湿度、SF6浓度、氧气浓度、火灾等信息，将其转化为电气量或开关量，送入风机联动控制模块，通过模块的逻辑运算实时控制轴流风机的启停、运行数目、转速、转向，运行时间等参数，最终使得室内环境满足人员工作和设备运行的正常要求。

2.2.1 轴流风机手动控制

根据大量调研，目前变电站室内轴流风机控制靠人工手动控制来实现风机的启停，未实现自动控制，其控制原理如图1所示。

图1 原有轴流风机控制原理图

该方案为现场手动控制，其缺点为：

1）控制模式单一、不能根据环境的各种实测值对环境进行实时控制；

2）风机转向固定，无法满足不同控制对象的要求，使得控制效果不佳；

3）当需要控制风机时需运维人员到现场操作，增加了运维工作量。

2.2.2 轴流风机联动控制

在现有风机手动控制的基础上增加自动联动控制功能。多个控制参数（温度、湿度、SF6、氧气浓度、烟感）传感器数值通过并联方式接入自动控制模块，通过继电器开闭控制轴流风机的启动（转向）、停止等，从而实现变电站室内环境因素的自动控制，满足无人值班及设备安全运行的要求，其控制原理图如图2和图3所示。

图2 基于继电器的轴流风机控制原理图

图3 风机正反转控制原理图

方案基于原有手动控制基础上增加自动控制模式，能够节约运维成本。但风机自动控制模式也相对单一，仅仅实现风机联动的启停，而对于联动程度如开机数量、风速、运行时间没有区别控制，无法做到灵活控制、节能降本。

在此基础上进一步优化，将多个控制参数的实测值进行限值区别，优先级划分，通过可编程逻辑控制器控制轴流风机的启停，包括启停数目，风机转向、转速，运行时间等，其控制原理图如图4所示。

图4 基于可编程逻辑控制器的控制原理图

该方案不仅能够实现风机联动的启停，而且深化联动程度，如开机数量、风速、运行时间等，充分做到灵活控制、节能增效。

3.1 案例选择

该站主变本体与散热器在同一房间，高负荷时室内温度较高，而当环境温度高于40 ℃时会影响设备绝缘，加速设备老化，进而影响设备安全运行。

3.2 室内温度参数历史数据

在安装智能通风联动控制装置之前三个月收集了较为影响设备运行的温度作为重点验证的对象。可以看出观察记录最高可达45.3 ℃。图5是该站主变室三个月典型日的温度曲线记录。

图5 7-9月典型日主变室内温度曲线图

3.3 系统安装后各环境实测值

3.3.1 系统配置

现场配置2个温湿度传感器，2个氧气传感器和1个烟感传感器，以上设备信息均接入联动控制系统。

3.3.2 室内温度值

安装智能通风联动控制系统之后室内环境温度的曲线图如图6所示。

图6 主变室内温度曲线图

由图6可以看出，温度曲线走势与该地区气象温度走势保持一致，同时每天的温度曲线与时间、负荷情况也基本保持一致。在联动系统的辅助控制下主变室内温度值始终未超过设定值30 ℃，满足设备正常运行的环境温度范围，实现智能控制。

3.3.3 室内湿度值

安装智能通风联动控制系统之后室内环境湿度的曲线图如图7所示。

图7 主变室内湿度曲线图

由图7可以看出湿度曲线走势与该地区气象湿度走势基本保持一致。在联动系统的辅助控制下变电站室内湿度值始终未超过25%RH，满足设备正常运行的环境湿度范围，实现智能控制。

3.3.4 室内氧气值

安装智能通风联动控制系统之后室内环境氧气浓度值的曲线图如图8所示。

图8 主变室内氧气含量曲线图

在智能通风联动系统的辅助控制下变电站室内氧气度值始终在安全的范围以内，实现智能控制。

针对变电站室内的通风控制问题，使用智能通风联动控制方法，通过实际案例验证能够解决室内环境不利于工作人员和设备运行的问题，实现了以下目的。

1）将密闭空间氧气不足，高压室含SF6有害气体这两大风险点基本杜绝，排除运维人员现场工作的安全隐患

2）运维人员在进入高压室工作之前，不需要再手动进行通风的准备工作，智能通风系统能够自动完成这些准备工作，提高运维人员现场工作的效率。

3）通过智能通风系统能够将环境温度、湿度控制在设备的正常使用范围内，保障设备的安全稳定运行和正常使用寿命。

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