基于自控技術(shù)的高壓開關(guān)柜恒溫除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

翟淑慧 牛衛(wèi)平 張開宇

摘要：針對(duì)室外高壓開關(guān)柜極易受到自然環(huán)境變化的影響，譬如在一些高溫高濕的天氣，潮濕的空氣進(jìn)入柜體內(nèi)接觸到電氣設(shè)備凝結(jié)成水珠，很可能造成線路絕緣性能下降甚至短路的情況，本文設(shè)計(jì)基于自控技術(shù)的高壓開關(guān)柜恒溫除濕系統(tǒng)，解決電氣柜的凝露現(xiàn)象，避免由于發(fā)生凝露而引起爬電、閃絡(luò)事故，提高電力設(shè)備的安全運(yùn)行水平。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜、凝露、智能控溫、冷凝除濕

1 概述

高壓開關(guān)柜是重要的電力設(shè)施，為了防止水進(jìn)入開關(guān)柜需要封閉開關(guān)柜，但是封閉的同時(shí)也導(dǎo)致內(nèi)部的潮氣不能順利排出，而產(chǎn)生受潮的情況。當(dāng)高壓開關(guān)柜中的潮濕空氣達(dá)到露點(diǎn)溫度形成液體水時(shí)，會(huì)降低絕緣能力，對(duì)開關(guān)柜中電力設(shè)備的機(jī)械和電氣特性產(chǎn)生影響。嚴(yán)重情況下凝露在開關(guān)柜頂部的水珠下滴到運(yùn)行設(shè)備上，將使開關(guān)柜放電，從而造成大面積停電事故。

為了避免室外開關(guān)柜受自然環(huán)境變化的影響發(fā)生凝露而引起的爬電、閃絡(luò)事故，提高電力設(shè)備的安全運(yùn)行水平，本文設(shè)計(jì)開關(guān)柜智能控溫冷凝除濕系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)動(dòng)控制管理，保障其內(nèi)部干燥程度，防止因濕度過高產(chǎn)生銹蝕與霉菌而導(dǎo)致的柜內(nèi)設(shè)備老化、絕緣強(qiáng)度降低、二次端子擊穿、材料霉變及鋼結(jié)構(gòu)件銹蝕等安全隱患。

2 冷凝除濕機(jī)理

本文采用的開關(guān)柜智能控溫除濕技術(shù)，主要利用不同材料半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)成對(duì)并通入直流電后產(chǎn)生的物理特性，即一面發(fā)熱，一面制冷，形成新型的半導(dǎo)體冷凝除濕裝置并將其應(yīng)用在高壓開關(guān)柜內(nèi)。通過制冷面溫度小于環(huán)境的溫度，使得環(huán)境中的水分凝露到制冷面，并由引水管將水分排出高壓開關(guān)柜外。

2.1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷機(jī)理其實(shí)是一種熱泵類的熱電制冷片，對(duì)由兩個(gè)不一樣材質(zhì)組合而成的半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)熱電偶對(duì)通入直流電時(shí)，在熱電偶對(duì)的兩側(cè)可以吸收和釋放熱量，這樣一來吸熱端可以成為制冷端，通過該電氣物理特性，就產(chǎn)生了新型半導(dǎo)體制冷技術(shù)。這種制冷技術(shù)就是能夠產(chǎn)生負(fù)熱阻的方式，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)元件，穩(wěn)定性非常高。

熱電偶是由P型和N型半導(dǎo)體材料禍合而成的，DC電流通過熱電偶。由于流經(jīng)熱電偶的電流方向不同，在電接觸表面產(chǎn)生發(fā)熱和散熱，這就是珀耳帖效應(yīng)，如圖1所示。

在材料中，不僅需要兩種半導(dǎo)體的物理和電學(xué)特性，而且也改變了半導(dǎo)體熱電雜質(zhì)的摻雜率。所使用半導(dǎo)體材質(zhì)不同，對(duì)最后成品的半導(dǎo)體制冷性能影響非常大。在理論上，半導(dǎo)體制冷芯片是一種傳熱工具。將P型、N型半導(dǎo)體材質(zhì)湊在一起組合成熱電偶對(duì)，一旦對(duì)該電偶對(duì)進(jìn)行通電，該電偶對(duì)上就發(fā)生有熱的傳遞。具體來說，如果電流從N側(cè)流向P端子，則耦合表面的溫度下降并吸收熱，這就是冷端;如果電流方向從P段流向N段，溫度會(huì)上升，放熱，形成熱端。

2.2 半導(dǎo)體電偶對(duì)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)電導(dǎo)特性，當(dāng)電流通過半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體本身具有電阻，能產(chǎn)生熱，將有熱傳導(dǎo)影響。并且在半導(dǎo)體以及空氣的影響下，熱量也會(huì)自主得發(fā)生自我傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫度差時(shí)，兩個(gè)換熱相等，從而達(dá)到平衡點(diǎn)。此時(shí)，換熱不會(huì)再發(fā)生，兩端的溫度也不會(huì)改變。想要使半導(dǎo)體繼續(xù)傳熱，只有選用另一種降溫方式來使發(fā)熱部位的熱量減少，從而讓冷凝效果變得尤為明顯。圖2所示為半導(dǎo)體電偶對(duì)的結(jié)構(gòu)圖。

制冷片由兩種不同材質(zhì)半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)組成。它突出的特點(diǎn)是沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部位，也不需要更換制冷劑，穩(wěn)定性能較高，非常適合空間狹小以及受安全距離影響的地方。

3 智能自動(dòng)控制冷凝除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過以上分析，基于半導(dǎo)體冷卻片的除濕原理具有一定的除濕優(yōu)勢(shì)。為了能夠?qū)﹂_關(guān)柜內(nèi)空氣相對(duì)濕度的改變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，保證較大的空氣的相對(duì)濕度能夠開啟半導(dǎo)體冷凝除濕裝置，本文對(duì)半導(dǎo)體冷凝除濕裝置的結(jié)構(gòu)及基于單片機(jī)的控制方法進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。基于單片機(jī)的控制裝置不僅能夠?qū)Ω邏洪_關(guān)柜內(nèi)部空氣的相對(duì)濕度進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，也能保證半導(dǎo)體冷凝除濕裝置的有效運(yùn)行。通過智能自動(dòng)控制的冷凝除濕系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的加熱型除濕系統(tǒng)導(dǎo)致的空氣整體向上流動(dòng)，使開關(guān)柜內(nèi)的水分徹底凝露在開關(guān)柜底部。

結(jié)合變電站室外開關(guān)柜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，本文設(shè)計(jì)的冷凝除濕系統(tǒng)能夠?qū)﹂_關(guān)柜內(nèi)空氣的相對(duì)濕度準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，同時(shí)及時(shí)將半導(dǎo)體冷凝除濕裝置啟動(dòng)，保證半導(dǎo)體冷凝除濕裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，這樣冷凝后的水滴才能排出開關(guān)柜。系統(tǒng)原理如圖3所示：

濕度傳感器測(cè)量變電站開關(guān)柜的電流和濕度數(shù)據(jù)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后傳入單片機(jī)。單片機(jī)從濕度傳感器中獲得的采樣數(shù)值，跟預(yù)先在單片機(jī)中設(shè)定的濕度定值進(jìn)行對(duì)比，若所傳感器傳送的數(shù)據(jù)，即測(cè)得的濕度值比設(shè)定值高，那么就啟動(dòng)半導(dǎo)體冷凝除濕裝置。相反，如果測(cè)得的濕度低于設(shè)定值，停止半導(dǎo)體冷凝除濕裝置。從而構(gòu)成一個(gè)由單片機(jī)控制濕度穩(wěn)定的負(fù)反饋系統(tǒng)。顯示器用于顯示環(huán)境濕度值和設(shè)定的閥值。半導(dǎo)體冷凝除濕裝置用于環(huán)境濕度超過閥值時(shí)啟動(dòng)，以降低空氣濕度。鍵盤模塊用于設(shè)定濕度閥值。

通過不同濕度值來確定半導(dǎo)體冷凝除濕裝置的啟停定值，在滿足除濕目的的前提下，以節(jié)約成本的設(shè)計(jì)達(dá)到最良好的除濕效果。

由于半導(dǎo)體冷凝除濕裝置在工作的時(shí)候會(huì)在一側(cè)形成制冷面，空氣在遇到制冷面時(shí)，空氣中的水汽會(huì)在制冷面凝露，并將其引導(dǎo)至排水口排出。另一側(cè)會(huì)形成發(fā)熱面，為了半導(dǎo)體冷凝除濕裝置更好的工作以及熱量的有效散發(fā)，在制熱面裝設(shè)一個(gè)依附在半導(dǎo)體制熱面的散熱風(fēng)機(jī)，風(fēng)力方向?yàn)橛芍茻崦嫦蛲?，這樣做的目的是將環(huán)境中的空氣引向裝置中，使得高壓開關(guān)柜內(nèi)的空氣更快更多地通過裝置，使得空氣更快接觸到制冷面，加快濕氣凝露的效果。

4 應(yīng)用效果

智能控溫除濕系統(tǒng)在國(guó)網(wǎng)祥符供電公司的室外10kV環(huán)網(wǎng)柜中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐及數(shù)據(jù)證明，智能控溫除濕系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)濕度，有效防止了凝露現(xiàn)象，可保持電力設(shè)備柜體、箱體內(nèi)環(huán)境在規(guī)定的干濕范圍，提高設(shè)備使用壽命，確保安全運(yùn)行。除此之外，在變電站其他端子箱、回流箱、通訊箱等容易受潮的戶外箱內(nèi)，同樣具有應(yīng)用價(jià)值。因此，將高壓開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜等電氣柜內(nèi)傳統(tǒng)的加熱除濕系統(tǒng)改造成新的智能控溫冷凝除濕系統(tǒng)，一來可降低傳統(tǒng)加熱器帶來的局部環(huán)境溫度升高的副作用，最重要的是能有效減少高壓電氣柜內(nèi)的整體環(huán)境濕度，使設(shè)備今后的運(yùn)行環(huán)境能夠變得干燥，擯除因濕度高給開關(guān)柜帶來的安全隱患;同時(shí)，能節(jié)省一定的電能，降低運(yùn)維成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于自控技術(shù)的開關(guān)柜恒溫除濕系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)柜內(nèi)的溫度和濕度，并采用半導(dǎo)體制冷方式除濕，將柜體內(nèi)的潮濕空氣吸收到機(jī)器內(nèi)部，空氣中的水汽經(jīng)過半導(dǎo)體制冷機(jī)構(gòu)后冷凝成水排出柜體達(dá)到理想的除濕效果。安裝本裝置可降低開關(guān)柜內(nèi)空氣中的水份含量，有效抑制柜內(nèi)相對(duì)濕度的上升，破壞凝露的形成條件，從根本上解決電氣柜凝露現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用效果顯著。

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