CN104734050B - 一种适用于高原的配电网控制柜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高原的配电网控制柜，包括柜体和设置在柜体中的控制系统，该控制系统分为三层：顶层、中层和底层，顶层包括控制芯片，中层包括功率模块，底层包括电抗器。这种布局不但占用体积小，成本低，后期维护方便。发热量大的功率模块设置在控制芯片的下方，保证了控制芯片的良好加热除湿，底层的电抗器保证了中层的功率模块的加热环境。散热器与发热较大的功率模块对应设置，可以保证功率模块的良好散热；并且散热器设置在中层的下面，这样一个散热器可以同时保证中层和底层同时散热，减少了散热器和与散热风扇的数量，节约了成本。散热板与底层间隔设置，保证了底层的良好通风，增加了散热效率。

Description

一种适用于高原的配电网控制柜

技术领域

本发明涉及一种适用于高原的配电网控制柜，属于智能电网技术领域和电力电子技术领域。

背景技术

由于高原运行环境与普通低海拔环境有很大差异，需要针对高原的环境特点进行特殊的结构处理来满足设备在高原环境的安全可靠运行。高原具有较恶劣的自然气候条件，对电力电子设备性能影响较大，高原气候的主要特点有：

(1)空气压力或空气密度低；

(2)空气温度较低，变化较大；

(3)空气绝对湿度较小；

(4)雷暴日多；

(5)太阳幅射照度(紫外线)较高；

(6)降水量较少；

(7)年大风日多；

(8)土壤温度较低，且冻结期长。

上述高原特点是电力电子行业人员的共识，但我国的高原地区分布较广，各高原地区的气候也存在差异。其中尤其以西南地区的云贵高原气候存在一定的特殊性。云贵地区河流众多，地形复杂，山谷间的水汽不易发散，在清晨和傍晚经常起雾。在相对湿度接近饱和的情况下，昼夜温差将造成严重的凝露。而且，云贵高原的高湿季节持续时间较长。因此，设备在高原气候应用必须考虑各高原地区的气候差异。

高原气候空气压力低容易造成电气间隙的击穿电压降低，这将直接导致电路板的绝缘强度降低；同时空气稀薄，风流量自然就小，导致散热能力减弱。

空气温度较低及温度变化对性能的影响：温度低→冻结→器件寿命受影响；温度变化大→凝露→爬电。

空气湿度对性能的影响：湿度小→电气间隙的击穿电压降低→绝缘强度降低；湿度大→积水→爬电。

太阳幅射照度(紫外线)较高对性能的影响：紫外线高→破坏功率器件的空间电荷区电场→器件失效；紫外线高→有机保护材料老化→绝缘强度降低。

目前国内外的电力电子设备在高原运行性能并不理想，主要难题集中在整机布局、散热、绝缘、凝露以及机械结构件的设计等方面。

国内外同等功率等级的配电网控制系统大都采用平面式布局，这种布局不但造成机箱体积庞大，成本提升，因该布局造成的散热等问题，所以该布局不适合在高原运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高原的配电网控制柜，用以解决现有的配电网控制系统造成的机箱体积庞大、成本提升和不适合在高原运行的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种适用于高原的配电网控制柜，包括柜体和设置在柜体中的控制系统，控制系统分为三层：顶层、中层和底层，顶层包括控制芯片，中层包括功率模块，底层包括电抗器；控制柜还包括与功率模块对应设置的散热器。

散热器设置在中层下方，并与下层间隔设置。

散热器包括散热板和在散热板下方设置的侧臂，所述侧臂用于将所述散热板固定在下层，侧臂和散热板的下沿形成所述间隔。

散热器对应设置至少一个风扇。

控制系统分为三层，底层包括电抗器，中层为功率模块层，顶层为控制芯片层，这种布局不但占用体积小，成本低，后期维护方便。

发热量大的功率模块设置在控制芯片的下方，保证了控制芯片的良好加热除湿，另外，底层的电抗器保证了中层的功率模块的加热环境。

而且，散热器与发热较大的功率模块对应设置，可以保证功率模块的良好散热，另外，散热器设置在中层的下面，在散热时，可以同时对中层和下层集中散热，不但散热效率高，而且，在同样的条件下，减少了投入，节约了成本。

另外，散热板与底层间隔设置，将散热用风分为两部分，一部分吹到散热器上，为中层的功率模块散热，另一部分通过散热器的间隔，吹到电抗器处，为电抗器进行散热。这样设置极大地增加了散热效率。

附图说明

图1是控制柜实施方式结构布局图；

图2是散热器实施方式结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

一种适用于高原的配电网控制柜，包括柜体和设置在柜体中的控制系统，该控制系统分为三层：顶层、中层和底层，顶层包括控制芯片，中层包括功率模块，底层包括电抗器；控制柜还包括与功率模块对应设置的散热器。

基于以上技术方案，结合附图，给出以下一个具体实施方式。

为了更好地适应高原的特殊气候条件，本发明提供了一种适用于高原的配电网控制柜，如图1所示，该控制柜包括柜体6和控制系统，该控制系统摒弃了传统的平面式布局，采用三层布局，顶层包括控制芯片1，中层包括功率模块2，底层包括电抗器4。

散热器3与功率模块2对应设置，图2所示为散热器的形状。散热器3设置在中层下方，与下层间隔设置。散热器3包括散热板和在散热板下方设置的侧臂，散热板通过侧臂固定在下层上，侧臂和散热板的下沿形成用于通风的间隔。为了达到更好的散热效果，可以在散热器的左边对应设置至少一个用于为发热元件提供风量的风扇5。

设置转速可调的高精度风扇5为3个，保证了风量。风一方面通过散热器3上的散热板给中层的功率模块2进行散热，另一方面通过散热器3上的间隔吹到底层上的电抗器4，为电抗器4散热。充分保证了功率模块2和电抗器4的散热，延长了使用寿命。

中层的功率模块3发热量大，利用热量向上流动的特点，保证了顶层的控制芯片1的加热除湿；而底层的电抗器4保证了中层的加热环境。也可以通过额外的加热除湿装置使控制柜温度高于环境温度，实时检测柜内温度湿度，严格控制湿度小于85％。

另外，正常运行情况下，采用自然空气冷却的方式，通过温度传感器实时监测控制柜内温度风扇的启停和转速，当风扇的转速达到最大值仍然无法降低柜内温度时，首先先采取降功率运行，当运行一定时间后，如果柜内温度还是超限，暂停控制柜的工作直到温度满足要求后再次启动。采用空气冷却和强迫通风冷却相结合的办法，能够达到了事半功倍的效果。

在顶层和中层进行信号传输中，采用以电流的方式进行交流，能够增强抗干扰度。

在高原运行的大功率电力电子设备的绝缘十分重要，空气压力或空气密度的降低，引起外绝缘强度的降低。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7～10.5kPa,外绝缘强度降低8％～13％。

根据安规IEC60664-1对绝缘的相关规定：由系统电压、过压等级和绝缘等级确定所需电气间隙距离，并按海拔高度进行修正。如表1所示。

表1

2000	80.00	1.00
			3000	70.00	1.14
4000	62.00	1.29
			5000	54.00	1.48
6000	47.00	1.70
			7000	41.00	1.95
8000	35.50	2.25
			9000	30.50	2.62
10000	26.50	3.02
			15000	12.00	6.67

另外，平均绝对湿度随海拔升高而降低，绝对湿度降低时，电工产品的外绝缘强度降低，因此考虑了工频放电电压与冲击闪络电压的湿度修正。湿度修正以零海拔时的平均绝对湿度：11g/m3为基准，具体修正按GB311.2中有关规定。

空气压力或空气密度的降低引起空气介质冷却效应的降低。对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品，由于散热能力的下降，温升增加。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7～10.5kPa,温升增加3％～10％。

空气温度最高值和平均值随海拔的升高而降低。高原环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因气压降低而引起的电气设备温升的增加。环境空气温度补偿值为0.5K/100m。

上述实施方式中，散热器包括散热板和在散热板下方设置的侧臂，侧臂用于将散热板固定在下层，侧臂和散热板的下沿形成间隔，作为其他的实施方式，散热板也可以直接固定在中层的下方，不需要侧臂支撑和固定。

上述实施方式中，散热器设置在中层下方，并与下层间隔设置，作为其他的实施方式，散热器也可以放在功率模块的上方或者侧边，只要能够达到散热的效果即可。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种适用于高原的配电网控制柜，包括柜体和设置在柜体中的控制系统，其特征在于，所述控制系统分为三层：顶层、中层和底层，所述顶层包括控制芯片，所述中层包括功率模块，所述底层包括电抗器；所述控制柜还包括与功率模块对应设置的散热器；

所述散热器设置在中层下方，并与下层间隔设置；

所述散热器包括散热板和在散热板下方设置的侧臂，所述侧臂用于将所述散热板固定在下层，侧臂和散热板的下沿形成所述间隔；

所述功率模块设置在控制芯片的下方，保证了控制芯片的加热除湿，底层的电抗器保证了中层的功率模块的加热环境。

2.根据权利要求1所述的适用于高原的配电网控制柜，其特征在于，所述散热器对应设置至少一个风扇。