一種用于變電站通信屏柜的智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 謝紹敏 李 偉

1 研究背景

在變電站控制室、二次室、通信室等功能室的通信屏柜內(nèi)的交換機(jī)、防火墻等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備需要長(zhǎng)期運(yùn)行，往往會(huì)出現(xiàn)個(gè)別設(shè)備高溫過熱的情況，極端情況下容易導(dǎo)致通信設(shè)備運(yùn)行異常甚至死機(jī)，從而引起通信網(wǎng)絡(luò)故障，嚴(yán)重影響繼電保護(hù)、測(cè)控、安自裝置的安全運(yùn)行。針對(duì)以上情況，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫。目前，所能采取的降溫措施多為在功能室內(nèi)放置空調(diào)進(jìn)行降溫，該方法僅能降低室內(nèi)的大部分環(huán)境溫度和各設(shè)備平均溫度，對(duì)于通信屏柜內(nèi)個(gè)別高溫的設(shè)備降溫效果并不顯著。也有部分廠家生產(chǎn)的通信屏柜頂部帶有散熱風(fēng)機(jī)，與屏柜內(nèi)的通信設(shè)備一同長(zhǎng)期運(yùn)行，但是散熱風(fēng)機(jī)的工作方式不夠智能，散熱效率較低。研究一種用于變電站通信屏柜的智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元，針對(duì)現(xiàn)有降溫設(shè)施無(wú)法在低能耗的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備精準(zhǔn)、高效散熱的問題，提出一種有效的解決方案[1]。

2 系統(tǒng)概述

該方案設(shè)計(jì)一款可用于通信屏柜內(nèi)靈活散熱的智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元，其內(nèi)置的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器利用測(cè)溫型熱敏電阻檢測(cè)通信屏柜內(nèi)的環(huán)境溫度。當(dāng)設(shè)備溫度達(dá)到預(yù)設(shè)高值時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，開始進(jìn)行降溫作業(yè)；當(dāng)設(shè)備溫度低于預(yù)調(diào)低值時(shí)，風(fēng)機(jī)關(guān)閉。而且在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元會(huì)根據(jù)通信屏柜內(nèi)環(huán)境溫度的高低來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)溫度越高時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越快；當(dāng)溫度越低時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越慢。而且通過智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元內(nèi)的溫控電路和監(jiān)控電路系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的智能調(diào)速和遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該種智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元，集成了直流軸流風(fēng)機(jī)、設(shè)備溫度監(jiān)控單元、測(cè)溫型熱敏電阻、智能調(diào)速及監(jiān)控電路單元以及監(jiān)控輸出接口等，還包括風(fēng)機(jī)安裝板、風(fēng)機(jī)安裝罩、風(fēng)機(jī)保護(hù)罩、電源接口、運(yùn)行燈、導(dǎo)線等其他部件組成，具備監(jiān)控設(shè)備溫度、可調(diào)風(fēng)速、可自主智能調(diào)速策略以及信號(hào)輸出的功能。風(fēng)機(jī)單元設(shè)計(jì)為豎式安裝，可根據(jù)屏柜內(nèi)所需降溫設(shè)備放置位置靈活調(diào)整安裝[3]，達(dá)到對(duì)高溫設(shè)備針對(duì)性降溫的目的，同時(shí)相較以往的橫式風(fēng)機(jī)，本發(fā)明裝置不占據(jù)屏柜內(nèi)原有設(shè)計(jì)的設(shè)備安裝空間，屏柜加裝風(fēng)機(jī)時(shí)無(wú)須考慮屏柜內(nèi)設(shè)備預(yù)留空間是否充足的問題。便于加裝的同時(shí)，更有利于實(shí)現(xiàn)屏柜內(nèi)高熱設(shè)備的精準(zhǔn)散熱，可以有效降低通信屏柜內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行溫度，改善高能耗設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，從而降低因通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障導(dǎo)致事故事件的安全風(fēng)險(xiǎn)，總體工作原理如圖1所示。

圖1 總體工作原理圖

本系統(tǒng)采用的熱電偶溫度變送器是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)，因此本方案以熱電偶溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)通信屏柜的溫度變化，將高精度、高可靠的NTC 熱敏電阻器與PVC 導(dǎo)線連接，用絕緣、導(dǎo)熱、防水材料封裝成所需要的形狀，便于安裝與遠(yuǎn)距離測(cè)控溫。該熱電偶溫度變送器采用全新工藝、產(chǎn)品性能穩(wěn)定，采用雙層密封工藝，具有良好的絕緣密封性和抗機(jī)械碰撞、抗折彎能力、可靠性高，可根據(jù)使用的安裝條件封裝，便于安裝，廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)、汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、熱水器、飲水機(jī)等場(chǎng)合的溫度測(cè)量與控制，其外形尺寸如圖2所示。

圖2 熱電偶溫度傳感器外形尺寸

其工作原理是在確定電極材料之后，將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A 和B 焊接起來(lái)，以構(gòu)成一個(gè)閉合回路。如此，當(dāng)導(dǎo)體A 和B 之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而在回路中形成一個(gè)具有一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。由熱電效應(yīng)測(cè)得的電阻值只與工作端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

通過采用ANSYS 軟件對(duì)密閉通信屏柜內(nèi)的空氣湍流進(jìn)行建模，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)，獲得通信屏柜內(nèi)空氣湍流的可視化模型，并據(jù)此計(jì)算出針對(duì)通信屏柜內(nèi)高熱設(shè)備的最優(yōu)散熱方式，并在通信屏柜頂部設(shè)計(jì)一個(gè)散熱抽風(fēng)口，加速通信屏柜內(nèi)空氣流通，從而有效實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)散熱。本裝置具備狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳功能，接口預(yù)設(shè)置，即插即用，可拓展性強(qiáng)，遠(yuǎn)期根據(jù)需要可接入現(xiàn)有動(dòng)力和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3 控制邏輯

一是根據(jù)通信屏柜內(nèi)的設(shè)備溫度，智能調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)設(shè)備溫度≥40℃時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)設(shè)備溫度≤35℃時(shí)，風(fēng)機(jī)關(guān)閉。二是風(fēng)機(jī)每次運(yùn)行時(shí)間至少為10min，風(fēng)機(jī)開啟間隔時(shí)間為3min，風(fēng)機(jī)至少每天運(yùn)行一次。三是溫度控制曲線圖如圖3所示。

圖3 溫度控制曲線圖

3 實(shí)例應(yīng)用

下文一種智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元為基于上述原理的一個(gè)實(shí)例應(yīng)用。

3.1 結(jié)構(gòu)組成

該智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元由風(fēng)機(jī)安裝板、風(fēng)機(jī)安裝罩、直流軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)保護(hù)罩、調(diào)速及監(jiān)控單元、監(jiān)控接口、電源接口、運(yùn)行燈及測(cè)溫型熱敏電阻等主要元器件組成，如圖4、圖5所示。

圖4 智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元立體圖（正面視圖）

圖5 智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)立體圖（背面視圖，去除背面的風(fēng)機(jī)安裝罩）

其中，風(fēng)機(jī)安裝板可采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸（或21英寸）安裝，高度為3U 高，可以安裝在19英寸（或21英寸）安裝的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)（1英寸=2.54厘米）。

其中，為了保護(hù)測(cè)溫型熱敏電阻，會(huì)在測(cè)溫型熱敏電阻外面加裝保護(hù)金屬殼，以保護(hù)測(cè)溫型熱敏電阻不易受到損壞。測(cè)溫型熱敏電阻通過連接導(dǎo)線同智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元內(nèi)的調(diào)速及監(jiān)控單元連接，連接導(dǎo)線的長(zhǎng)度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行適配。

3.2 工作流程

一是當(dāng)通信屏柜內(nèi)某設(shè)備溫度較高，需要進(jìn)行精準(zhǔn)降溫時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將智通調(diào)速風(fēng)機(jī)單元安裝在最適合設(shè)備降溫的地點(diǎn)，一般是安裝在通信屏柜后部的方孔條上，位于該設(shè)備后部偏上的位置。將測(cè)溫型熱敏電阻放置于該設(shè)備的最佳測(cè)溫點(diǎn)附近，并固定好。將智能型風(fēng)機(jī)單元的電源線，接入通信屏柜內(nèi)的配電單元上。并通過智能型風(fēng)機(jī)單元的監(jiān)控接口，連接通信屏柜的動(dòng)力和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的相應(yīng)接口上。至此，連線完成，智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元此時(shí)處于工作狀態(tài)。

二是當(dāng)該設(shè)備測(cè)溫點(diǎn)處溫度升高至≥40℃時(shí)，直流軸流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，開始進(jìn)行抽空氣作業(yè)，將該設(shè)備周圍的熱空氣抽走，同時(shí)通信屏柜外的冷空氣會(huì)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，從而達(dá)到給設(shè)備降溫的效果。

三是當(dāng)設(shè)備測(cè)溫點(diǎn)處溫度降低至≤35℃時(shí)，直流軸流風(fēng)機(jī)關(guān)閉、待機(jī)。進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。同時(shí)，通過監(jiān)控接口，可以將智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元的工作信息和設(shè)備溫度信息上傳至動(dòng)力和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控及記錄設(shè)備溫度、智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元的工作狀況等情況。

3.3 應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)在某220kV 變電站通信機(jī)房某通信屏柜加裝該風(fēng)機(jī)單元，僅需在邊角處使用4顆螺絲將風(fēng)機(jī)單元固定于屏柜內(nèi)安裝導(dǎo)軌，進(jìn)行簡(jiǎn)單接線即可，安裝過程簡(jiǎn)便，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)安裝效果

由于室內(nèi)空調(diào)制冷比較充足，使用溫度發(fā)生器模擬40℃高溫環(huán)境，在熱敏電阻與溫度發(fā)生器熱源接觸后，風(fēng)機(jī)達(dá)到條件開始啟動(dòng)，1min 后屏內(nèi)設(shè)備最高溫度由啟動(dòng)前的32.4℃降至31.9℃，降溫效果顯著，如圖7所示。另外，現(xiàn)場(chǎng)還對(duì)風(fēng)機(jī)單元的調(diào)速性能做了評(píng)估。將溫度發(fā)生器溫度由40℃至50℃勻速調(diào)整，隨著溫度升高，現(xiàn)場(chǎng)明顯可見風(fēng)扇轉(zhuǎn)速加快，至50℃時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速，調(diào)速過程線性良好。當(dāng)模擬溫度降至35℃時(shí)，風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，響應(yīng)靈敏。

圖7 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前后測(cè)溫對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種對(duì)變電站通信屏柜實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效散熱的有效解決方案。本方案具有以下特點(diǎn)：一是智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元整體外觀小巧，安裝方便，不會(huì)造成原設(shè)備的維護(hù)、檢修困難；二是可根據(jù)通信屏內(nèi)設(shè)備安裝情況靈活配置和安裝，對(duì)發(fā)熱源進(jìn)行精準(zhǔn)散熱；三是通過智能調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提高散熱效率，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命；四是提供監(jiān)控接口，可直接接入動(dòng)力和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)到智能調(diào)速風(fēng)機(jī)單元的運(yùn)行狀態(tài)。本方案應(yīng)用前景廣泛，有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。