隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市建設(shè)的不斷推進,城市用電負荷密度的增加和城市建設(shè)用地面積的下降,越來越多的城市供配電設(shè)施從地面轉(zhuǎn)向地下,給供配電設(shè)施的運行維護增加了難度;隨著互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的發(fā)展,智能變配電站的建設(shè)對變配電站運行環(huán)境的控制也提出了要求。
本文基于解決長江流域及以南地區(qū)地下變配電站運行過程中在開關(guān)柜和室內(nèi)出現(xiàn)的空氣凝露問題,系統(tǒng)地構(gòu)建城市地下變配電站低能耗智能環(huán)境控制解決方案,為變配電站提供安全穩(wěn)定的運行環(huán)境。
現(xiàn)有的城市地下變配電站運行的環(huán)境控制,一般采用的是機械通風、空調(diào)降溫、除濕機等方式,滿足變配電站全年大部分時段的要求,但對于某些特殊時段,由于室外氣候的突變(主要指空氣溫度、濕度以及含塵濃度的變化),會引起電氣元器件或開關(guān)柜結(jié)構(gòu)件上產(chǎn)生凝露、灰塵積聚,導致變配電站運行發(fā)生故障(表現(xiàn)為短路、污閃等)。
根據(jù)某供電公司提供的轄區(qū)內(nèi)發(fā)生的變配電站故障現(xiàn)象,可分為以下兩類。
1)開關(guān)柜內(nèi)斷路器手車內(nèi)部凝露引起接地短路故障,如圖1所示。
圖1 斷路器手車故障現(xiàn)象
2)母線內(nèi)部凝露引起接地短路故障,如圖2所示。
圖2 母線內(nèi)部結(jié)露引起短路的現(xiàn)象
這些開關(guān)柜柜門因凝露出現(xiàn)白色鹽化印記(如圖3所示),開關(guān)觸頭銅綠現(xiàn)象嚴重。
運行維護部門從以下幾個方面對故障現(xiàn)象進行了分析。
1)電氣柜結(jié)構(gòu)方面。上述發(fā)生凝露的開關(guān)柜,配置的是10kV中置手車式金屬鎧裝開關(guān)柜和10kV環(huán)網(wǎng)柜。開關(guān)柜頂部均采用的是密封封板,沒有透氣孔,導致濕氣一旦進入柜內(nèi),將不能有效跑出去。
圖3 開關(guān)柜柜門白色鹽化現(xiàn)象
2)絕緣方式及除濕功能方面。10kV中置手車式金屬鎧裝開關(guān)柜為空氣絕緣方式,電纜室及斷路器配加熱器;SM6型10kV環(huán)網(wǎng)柜除三位置閘刀氣包為SF6氣體絕緣,其他都采用空氣絕緣,只有電纜倉配加熱器。
3)運行環(huán)境方面。故障及發(fā)現(xiàn)隱患的開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜都安裝在電纜溝布置的電站中,其中好幾座站靠近河道,站內(nèi)總體環(huán)境濕度較大。
根據(jù)以上分析,初步的結(jié)論如下:變配電站采用電纜溝或地下電纜夾層的結(jié)構(gòu)形式,柜子下方濕度大,濕氣進入開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜電纜倉后加熱器工作,將濕氣往上部送,由于開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部沒有透氣孔,濕氣在往上跑的過程中碰到開關(guān)室、母線室等金屬頂板及其他絕緣件外表,冷熱差使得水汽凝露,造成柜內(nèi)絕緣降低及導電部分對絕緣件放電,設(shè)備長期運行,造成凝露部位的絕緣件老化,絕緣性能降低。
根據(jù)上述分析,相關(guān)部門提出了初步整改意見,主要包括:在開關(guān)柜泄壓通道頂部應有透氣孔;對母線室連接絕緣件進行加強;加裝除濕器(上海某供電公司有145個開關(guān)站的開關(guān)室安裝了除濕器);土建增加除濕系統(tǒng),提高環(huán)境控制標準,由出資單位增加部分費用。
上述解決方案,對減少因凝露引發(fā)的停電跳閘事故有一定的改善作用,但并不能從根本上杜絕凝露現(xiàn)象的出現(xiàn),相應地導致了變電站運行能耗和運行維護工作量的增加,對地下雙層結(jié)構(gòu)變配電站的運行環(huán)境和控制水平?jīng)]有太大的改善。
地下雙層結(jié)構(gòu)變配電站(在電纜層/電纜溝布置開關(guān)室)故障頻發(fā)的主要原因是凝露,在解決此問題前,必須認清凝露的機理,破壞凝露發(fā)生的條件,才能從根本上杜絕凝露現(xiàn)象的出現(xiàn)。
2.1 空氣凝露的機理
根據(jù)空氣動力學理論,借助濕空氣焓濕圖(如圖4所示),分析凝露的機理。
圖4 濕空氣焓濕圖
在焓濕圖中,橫坐標表示濕空氣的焓濕量,即每千克干空氣中水蒸汽的含量,是濕空氣中水分含量的絕對值;縱坐標表示濕空氣的溫度;在焓濕圖中一系列拋物線表示等相對濕度線,相對濕度是表示濕空氣的絕對濕度(焓濕量)與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度(最大焓濕量)之比,是表示空氣中水蒸汽含量相對值,用百分數(shù)表示。
飽和空氣是指一定溫度和壓力下,能夠容納最大限度水蒸汽的濕空氣狀態(tài),其相對濕度為100%,在焓濕圖中拋物線族中最下方;露點溫度是指在焓濕量和氣壓都不改變的條件下,將濕空氣冷卻到飽和時的溫度,在焓濕圖中與相對濕度100%對應的縱坐標溫度即為該焓濕量對應狀態(tài)下的露點溫度。
在現(xiàn)實環(huán)境中,如果濕空氣接觸的物體表面溫度低于該空氣的溫度,空氣將熱量傳遞給接觸的物體,空氣溫度下降,同時其相對濕度提高,物體表面溫度升高,但兩者升高速率不一樣。一般情況下,空氣熱容量低,降溫速度一般大于固體物體吸熱后的升溫速度,當空氣溫度降至露點溫度時,如果仍高于物體表面溫度,空氣溫度將繼續(xù)下降,此時空氣中的水蒸汽將從空氣中以液態(tài)形式析出,在物體表面形成水滴,形成凝露。
通過上述分析可以發(fā)現(xiàn),形成空氣凝露的條件是濕空氣(水分)、開關(guān)元器件與周圍空氣的溫差。
2.2 濕空氣(水分)進入開關(guān)柜室途徑
對于地下雙層或多層結(jié)構(gòu)的變配電站,濕空氣(水分)進入室內(nèi)的途徑有兩種:①通過通風系統(tǒng),室外的潮濕空氣經(jīng)通風系統(tǒng)的進風裝置系統(tǒng)進入室內(nèi);②通過電纜溝、地下室圍護結(jié)構(gòu)墻體滲入,被吹掠表面的空氣帶進室內(nèi)。
1)室外熱濕空氣的入侵
常規(guī)的通風系統(tǒng)一般采用自然或機械進風、機械排風的通風方式,排除室內(nèi)電氣設(shè)備散發(fā)的熱量。由于常規(guī)的通風系統(tǒng)一般均缺乏溫濕度聯(lián)鎖控制系統(tǒng),通風系統(tǒng)的起??刂凭蛇\行人員手動操作控制,即使采用自動控制,較多地設(shè)定室內(nèi)溫度值,控制通風系統(tǒng)的起停。在梅雨季節(jié)或潮濕天氣,通風系統(tǒng)起動時,大量的室外熱濕空氣經(jīng)進風系統(tǒng)進入室內(nèi)。
2)電纜溝或地下室圍護結(jié)構(gòu)表面水分蒸發(fā)
由于地下室墻體及電纜溝與大地直接接觸,大地中的水分會通過電纜溝壁或墻體滲透至表面,當電纜溝內(nèi)或地下室內(nèi)有一定的空氣流通時,這些水分將被蒸發(fā)進入電纜溝或地下空間內(nèi);當空氣流通不足時,這些水分將停留在電纜溝壁或墻壁的表面,形成水珠或水膜。
根據(jù)規(guī)范,電纜穿越溝蓋板與開關(guān)柜內(nèi)部接線端子線路時,應采用防火膠泥封堵,但隨著運行時間的推移,防火膠泥因電纜的熱脹冷縮產(chǎn)生裂縫,電纜溝內(nèi)的潮濕空氣通過這些裂縫慢慢滲入至開關(guān)柜內(nèi);而當開關(guān)柜內(nèi)的電加熱器起動時,柜內(nèi)溫度升高,使柜內(nèi)側(cè)的防火膠泥變干,與電纜溝側(cè)的防火膠泥間形成濕度差,水分就源源不斷地從電纜溝內(nèi)進入開關(guān)柜內(nèi)。
2.3 開關(guān)柜元器件與周圍空氣的溫差
當開關(guān)元器件的表面溫度低于周圍空氣的露點溫度時,凝露就出現(xiàn)在這些元器件的表面。溫差的形成包括:元器件溫度降低、周圍空氣溫度升高,或兩者同時出現(xiàn)。
1)開關(guān)柜元器件溫度降低
一般情況下,開關(guān)柜及其元器件的溫度與柜內(nèi)柜外的空氣溫度相關(guān),在開關(guān)柜工作狀態(tài)下,由于電流的通過,一般溫度不會下降,但由于運行過程中周圍環(huán)境的作用,可能導致開關(guān)元器件或開關(guān)柜表面溫度的變化速度低于空氣的變化速度,結(jié)果是相對于空氣溫度,開關(guān)柜元器件或結(jié)構(gòu)件的溫度降低了。
如現(xiàn)在在開關(guān)室內(nèi)大量使用的柜式空調(diào)機,自帶的溫控器依據(jù)回風口處的溫度控制其起?;蛘{(diào)頻,改變空調(diào)運行功率,由于開關(guān)柜內(nèi)工藝設(shè)備布置的局限,使得柜式空調(diào)設(shè)備出風口往往難以有效擴散,有時直接吹到開關(guān)柜的表面,而柜式空調(diào)的出風溫度一般較回風溫度有10℃以上的溫差,在長時間的作用下,被直吹的開關(guān)柜表面溫度降低,由于開關(guān)柜本體具有良好的導熱性能,將導致開關(guān)柜內(nèi)部構(gòu)架溫度同時降低。
開關(guān)柜門板內(nèi)部的白點大多數(shù)均是由于壁板溫差引起的凝露造成的。還有一種情形,安裝在電纜溝上的開關(guān)柜,柜體內(nèi)電氣元件處于備用狀態(tài)(未通電),夏季早晚溫差較大時,柜內(nèi)空氣的升溫速度低于柜外空氣升溫速度,也可能使該柜體構(gòu)架溫度明顯低于室內(nèi)空氣溫度。
2)周圍空氣溫度升高
為了降低空氣的相對濕度,增加空氣的容濕能力,在許多開關(guān)柜內(nèi)布置了電加熱器。電加熱器投入運行后,柜內(nèi)空氣溫度升高,降低了柜內(nèi)空氣的相對濕度,但與此同時,也增加了經(jīng)電纜夾層墻壁或電纜溝壁水分蒸發(fā)量,使得室內(nèi)空氣中總焓濕量增加。
另一種情形則是,為了保持地下開關(guān)室內(nèi)的空氣品質(zhì)(含氧量),大量室外熱濕空氣通過通風系統(tǒng)的進風裝置進入室內(nèi),由于地下圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性(遲滯效應),也會導致室內(nèi)溫度的迅速上升;第三種情形則是因某種故障造成開關(guān)接觸電阻增加,引起開關(guān)柜工作時產(chǎn)生熱量積聚,引起空氣溫度升高。
根據(jù)凝露產(chǎn)生的機理,可以從減少水分進入、防止溫差產(chǎn)生這兩個方面,有效阻止地下開關(guān)站凝露的產(chǎn)生。
3.1 有效控制室外熱濕空氣進入
通過對室外空氣的溫濕度進行監(jiān)測,當室外的濕空氣焓濕量(相對濕度)升高時,應逐步減少室外空氣的進入量,直至關(guān)閉室外進風,此時,通過空調(diào)降溫系統(tǒng),維持室內(nèi)溫度。為了實現(xiàn)有效控制,必須將傳統(tǒng)的自然進風改為有組織的機械進風,通過對機械進風裝置的控制,實現(xiàn)對進風量的控制。
3.2 控制溫差
既然凝露是由溫差引起的,消除室內(nèi)溫差,特別是開關(guān)柜內(nèi)空氣溫度與電氣或柜體結(jié)件間的溫差,是防止凝露產(chǎn)生的重要途徑。
1)維持開關(guān)室內(nèi)的溫度均勻(公式略)
室內(nèi)溫度場分布的均勻性主要取決于室內(nèi)的氣流組織,維持室內(nèi)合理的氣流組織是維持室內(nèi)溫度均勻的重要途徑。
現(xiàn)有的地下開關(guān)室采用通風空調(diào)系統(tǒng)來維持室內(nèi)溫度。通風系統(tǒng)采用自然進風或機械進風、機械排風,由于室外空氣中的灰塵隨著新風進入室內(nèi),隨著運行時間的增加,在開關(guān)室地面、開關(guān)柜表面和開關(guān)柜內(nèi)部都存在灰塵積聚的問題,增加了運維工作量,為此安裝柜式空調(diào)機,循環(huán)冷卻室內(nèi)空氣,帶走設(shè)備散熱量,維持室內(nèi)溫度。
無論是機械通風系統(tǒng)還是柜式空調(diào)降溫系統(tǒng),均沒有結(jié)合開關(guān)室的布置特點設(shè)置合理的氣流組織,僅僅是根據(jù)熱量平衡的原則,進行通風量和空調(diào)設(shè)備容量的計算和設(shè)備選型。由于沒有合理的氣流組織,使得室內(nèi)溫度不均,導致局部地點因熱空氣無法擴散,氣溫上升,而某些地點因處在送風口或其影響區(qū)域范圍內(nèi),溫度偏低。
為了有效控制室內(nèi)的氣流組織,采用正壓送風、自然或機械排風的氣流組織。
根據(jù)公式計算,采用機械送風方式更有利于控制室內(nèi)的氣流組織。
根據(jù)開關(guān)室的電氣設(shè)備發(fā)熱特性,我們引用熱置換通風的原理,從房間下部送入較低溫度的空氣,這些空氣沿地面擴散,蔓延至整個房間,到達開關(guān)柜后,吸收開關(guān)柜的熱量后緩慢上升,在送風設(shè)備的壓頭與開關(guān)設(shè)備散熱形成的熱壓雙重作用下,送風源源不斷地補充到發(fā)熱的開關(guān)柜處,而沒有散熱的開關(guān)柜因少了設(shè)備發(fā)熱引起的熱壓作用,送風達到該區(qū)域的量就較少,從而保證了開關(guān)柜間周圍空氣溫度均勻性。
為了實現(xiàn)這樣的氣流組織,需要對傳統(tǒng)的柜式空調(diào)機或上分設(shè)備進行改造。因為傳統(tǒng)的柜式空調(diào)機是為人員舒適性服務的,一般采用前下回風,前上出風,以避免出風口對著人員高度直吹而產(chǎn)生不適,但用于變配電站開關(guān)室降溫時,這種方式將導致室內(nèi)氣流組織的混亂,熱空氣位于開關(guān)柜頂部區(qū)域,理想的回風方式應是從開關(guān)柜頂部上方回風,送至開關(guān)室地面,這樣空調(diào)機、開關(guān)柜之間形成一個空氣循環(huán),不僅有效地排除開關(guān)柜散發(fā)的熱量,也能因回風溫度的升高有效地提高空調(diào)設(shè)備的能效。
2)控制電纜溝/電纜夾層與開關(guān)室的溫度差
對于電纜溝/電纜夾層進線的開關(guān)室,應控制電纜溝/電纜夾層與開關(guān)室的溫差,以減少凝露的發(fā)生。最直接的辦法就是將二者的空氣進行有效的混合。由于開關(guān)室的熱特性,決定了開關(guān)室上部的溫度要高于開關(guān)室下部的溫度,因此將開關(guān)室柜頂上部溫度相對較高的空氣通過通風設(shè)備送入電纜溝/電纜夾層內(nèi),與電纜相/電纜夾層的空氣混合后,空氣溫度升高,相對濕度下降,并通過排風口再次進入開關(guān)室,保持電纜溝/電纜夾層干燥的同時,也使開關(guān)室內(nèi)的空氣溫度更趨均勻。
3)維持開關(guān)柜內(nèi)外的溫度均勻
為了防止熱濕空氣在開關(guān)柜內(nèi)積聚,應保持開關(guān)柜內(nèi)外的空氣流通?,F(xiàn)有部分開關(guān)柜本體沒有設(shè)置必要的通風裝置,一旦有潮濕空氣進入(如柜門開啟),難以有效及時排出,將會有隨著柜體的溫度變化而產(chǎn)生凝露的危險。
因此建議開關(guān)柜箱體生產(chǎn)商應根據(jù)柜內(nèi)電氣設(shè)備的功能和防塵、防潮的要求,設(shè)置合理的通風設(shè)施,包括但不限于:柜體下部、上部開設(shè)進、排風百葉;柜體下部設(shè)置百葉,上部設(shè)置溫控排風機;下部設(shè)置過濾進風機,上部開設(shè)散熱通風口。
現(xiàn)有采用電加熱器的防凝露措施,只能通過提高空氣溫度,降低空氣的相對濕度,并不能將變配電間內(nèi)多余的水分排除,水分的排除還是有賴于通風系統(tǒng)或除濕機的運行,但電熱器的運行,加大了柜內(nèi)空氣與柜體的溫差,增加了潛在的凝露風險。
3.3 加強地下結(jié)構(gòu)的防水措施
為減少地下結(jié)構(gòu)內(nèi)水汽的產(chǎn)生,除了防止室外大量熱濕空氣的入侵外,做好地下圍護結(jié)構(gòu)或電纜溝壁的防水隔潮也是重要措施之一。包括兩個方面:①及時完善地下室的防潮隔水層,防止地下水或土壤中的水分通過電纜溝或墻體滲透進室內(nèi);②對于已經(jīng)進入電纜溝或電纜夾層的水分及時排除,防止其緩慢蒸發(fā)進入室內(nèi),對開關(guān)柜等電氣設(shè)備產(chǎn)生潛在危害。
根據(jù)上述分析結(jié)果,本文研發(fā)出地下雙層結(jié)構(gòu)站智能環(huán)境控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于空氣動力學、流體力學及傳熱學的基本概念,通過置換、誘導及變風量等復合通風方式和智能控制,實現(xiàn)在可控弱氣流作用下的穩(wěn)態(tài)對流換熱,建立散熱體與周圍空氣的動態(tài)熱平衡,形成良好的室內(nèi)氣流組織,維持室內(nèi)的溫度均勻性(平面)和溫度梯度(垂直面),提高通風排熱效率;同時由于采用弱氣流方式,降低了氣流強度,從而降低系統(tǒng)運行能耗、噪聲,也為空氣凈化、品質(zhì)控制等多元功能的實現(xiàn)提供必要條件。
雙層布置的地下變配電站負一層為設(shè)備層,是環(huán)境控制的重點區(qū)域,負二層為電纜層,其環(huán)境控制的要求相對可以低一些。為此,我們提出的系統(tǒng)方案如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)方案圖
該系統(tǒng)設(shè)計思路:將開關(guān)室上部區(qū)域的室內(nèi)空氣和室外新風根據(jù)各自參數(shù)和室內(nèi)溫、濕度控制要求,按比例混合后經(jīng)環(huán)境控制設(shè)備(具有過濾、加壓、分配、加熱、降噪等功能)處理加壓后,根據(jù)開關(guān)柜室和電纜夾層的溫濕度參數(shù),按比例分別送入電纜夾層和開關(guān)室底部。
在電纜夾層內(nèi),進入室內(nèi)的空氣與圍護結(jié)構(gòu)墻體、地面進行對流換熱后,送入的空氣溫度降低,而夾層的溫度升高,達到降低二層空氣濕度的目的;源源不斷送入的空氣使電纜夾層的壓力上升,通過在電纜夾層與開關(guān)室開設(shè)的防火通風口進入開關(guān)室,與直接送入開關(guān)室的空氣一起,吸收開關(guān)柜的熱量,維持室內(nèi)的溫度均勻。
隨著運行時間的延長,開關(guān)室上部空氣狀態(tài)參數(shù)超過設(shè)定值時,系統(tǒng)自動調(diào)整回風和新風比例,同時控制排風機起動,將上部高溫的熱濕空氣排出室外。
為了實現(xiàn)上述設(shè)計思路,我們將環(huán)境控制設(shè)備、排風裝置等與室內(nèi)溫濕度傳感器集成在一個智能系統(tǒng)平臺,并固化在環(huán)境控制設(shè)備上。通過監(jiān)測開關(guān)室、電纜層和室外大氣的狀態(tài)參數(shù),自動調(diào)整新風(室外進風)、回風(開關(guān)柜頂部區(qū)域空氣)和排風(開關(guān)室頂部的熱濕空氣)的風量,從而阻止室外大量熱濕空氣的侵入,保持室內(nèi)干燥,徹底杜絕凝露的產(chǎn)生。
上海某地下雙層布置的變電站,下層(負二層)為電纜層,層高2.5m,上層(負一層)為設(shè)備層,層高5m。單層面積約180m2。配置有800kVA配電變壓器兩臺,高低壓配電柜、開關(guān)柜17個,電容器柜兩個??偘l(fā)熱量28kW左右。
由于設(shè)備高度大多在2m左右,故將工作區(qū)高度設(shè)為2.5m(熱力分層最低高度)。2.5m以上區(qū)域可以不作考慮。工作區(qū)溫度兼顧設(shè)備運行需要和短期有人工作的舒適度需要設(shè)定為25℃~30℃(在 20℃~35℃范圍內(nèi)均可調(diào))。
工程投運后,經(jīng)第三方權(quán)威部門檢測,各項指標均符合設(shè)計要求。其中工作區(qū)溫度在25℃±2℃范圍內(nèi),濕度<85%,1.5m水平方向溫度梯度最大值<0.7℃,達到甚至超過預期效果。
除了上述溫濕度參數(shù)得到準確控制外,該系統(tǒng)帶來的附加效應還表現(xiàn)在以下幾個方面:
本文在現(xiàn)有的地下二層結(jié)構(gòu)變配電站運行故障分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)對凝露機理的分析,總結(jié)出布置在電纜層上的開關(guān)柜室產(chǎn)生凝露的主要因素是外部水分的進入和室內(nèi)溫差的出現(xiàn),從防止水分進入和消除溫差兩個方面,提出了防止開關(guān)室凝露產(chǎn)生的主要措施,并提出了采用以可控弱氣流通風技術(shù)為核心,結(jié)合溫濕度傳感器、控制風閥、空氣處理設(shè)備等,構(gòu)建智能控制系統(tǒng),形成變電站智能環(huán)境控制系統(tǒng)。
通過在工程中的應用,表明該系統(tǒng)可以有效地控制開關(guān)室內(nèi)的溫度和濕度參數(shù),消除凝露產(chǎn)生的因素,降低開關(guān)柜因凝露發(fā)生故障的風險,環(huán)境控制系統(tǒng)運行能耗顯著下降,室內(nèi)空氣品質(zhì)得到有效控制,變配電站的運行環(huán)境得到有效改善,維護工作量顯著降低,環(huán)境控制的智能化水平得到提高。