基于在線采集技術的開關柜濕度數(shù)據(jù)研究

吳英俊 馬麗軍 鄭悠 吳禮剛

摘 要在我國沿海地區(qū)，由于空氣濕度高，造成金屬封閉高壓開關柜內(nèi)露水凝結(jié)，材料絕緣性能下降，因此經(jīng)常發(fā)生開關柜爆炸事故。本文利用自制的多路溫濕度在線測量系統(tǒng)實時獲取開關柜內(nèi)濕度的數(shù)據(jù)，進而對柜內(nèi)濕度分布規(guī)律進行研究。

【關鍵詞】濕度分布 金屬封閉開關柜 凝露 遠程多路溫濕度采集系統(tǒng)

1 引言

高壓開關柜是電力系統(tǒng)非常重要的電氣設備，封閉式高壓開關柜以其安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、占地省、操作方便等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用于供電系統(tǒng)中。但是由于開關柜內(nèi)部大量采用有機絕緣材料及過于緊湊的布置、高度的密閉性，當開關柜內(nèi)的空氣濕度很高時，水汽會與開關柜內(nèi)部的金屬和絕緣材料等相對氣溫較低的物體發(fā)生接觸，會以凝結(jié)出水珠覆蓋在絕緣材料表面，產(chǎn)生凝露，使電氣絕緣性能下降，引發(fā)設備絕緣閃絡和腐蝕零件，從而給開關柜的安全運行帶來隱患。

為此電力公司通常采取在開關柜內(nèi)增加加熱棒和電扇，放置除濕機，柜頂加裝百葉窗等幾項措施來降低開關柜中電氣設備周圍的濕度，避免凝露現(xiàn)象。然而，通常對開關柜濕度的來源和分布的認識往往是基于長期經(jīng)驗的估計和對事故開關柜的檢測結(jié)果的分析，以此得到的結(jié)論有一定的局限性，除濕的客觀效果及效率也較差。因此，迫切需要通過深入研究開關柜濕度來源和分布對現(xiàn)有的除濕措施進行評估，提出更好地防凝露、結(jié)露的方案。

2 金屬封閉開關柜內(nèi)濕度測量

2.1 溫濕度與凝露的關系

溫度與濕度是水蒸氣發(fā)生凝露的直接原因。在開關柜內(nèi)部溫度不變的情況下，開關柜內(nèi)部空氣的相對就濕度越大，水蒸氣在開關柜柜壁表面越容易凝結(jié)。即水蒸氣凝露速度與開關柜內(nèi)部空氣濕度成正相關。在空氣相對濕度不變的情況下，只要空氣中的水蒸氣溫度低于此濕度下的露點溫度，水蒸氣就會發(fā)生冷凝現(xiàn)象。環(huán)境溫度越低，冷凝速度越快，開關柜柜壁表面就越容易發(fā)生結(jié)珠現(xiàn)象。

因此，為了減少開關柜內(nèi)部發(fā)生冷凝現(xiàn)象，就必須實時監(jiān)控開關柜內(nèi)部的溫濕度。

2.2 溫濕度在線采集系統(tǒng)

在設備方面，為了實時地和準確地采集開關柜內(nèi)的濕度和溫度數(shù)據(jù)，設計和制作了一套基于GSM的遠程溫濕度在線采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括三個部分：高精度的溫濕度傳感器，遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊和PC端的數(shù)據(jù)中心，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

溫濕度采集模塊采用的是AM2305溫濕度傳感器，濕度的精度可達±2%RH，溫度的精度可達±2℃，符合實驗的要求。遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊以STC89C52單片機為主控，負責多路溫濕度傳感器或PC機同GSM通信模塊之間的數(shù)據(jù)和命令交互，以及GSM模塊的初始化工作。GSM通信模塊采用華為GTM900C，支持短信模式和GPRS模式，具有較高的穩(wěn)定性。PC端的數(shù)據(jù)中心基于Labview平臺開發(fā)，通過串口接收下位機發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，并在服務器中保存和顯示。

3 實驗方案設計

為了獲得詳實有效的實驗數(shù)據(jù)，擬設計實驗方案如下：帶電開關柜，耐火泥無孔，除濕機和加熱器工作，探頭在不影響開關柜工作的情況下盡可能均勻分布安裝。實驗場地為蔡郎變。蔡郎變是一個35KV的主干變電站，多次發(fā)生凝露引起的開關柜爆炸。在這個測試場地可提供爆炸多發(fā)區(qū)開關柜運行狀態(tài)下的溫濕度的變化。為了進一步增加典型性，特別選取了一個剛爆炸過的開關柜放置溫濕度探頭。蔡郎變溫濕度探頭的分布如圖2所示。考慮到后艙是爆炸主發(fā)點，1-15號探頭從底部至頂部均勻安置于后艙，16，17號探頭安置于前艙，19號探頭安裝于艙外用于觀測環(huán)境溫濕度。除濕機和加熱器位于柜內(nèi)右下角處，即探頭3附近。

在采集時間方面，由于柜內(nèi)的密封性較好，空氣流通緩慢，因此將10分鐘作為最小采樣間隔來采集數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)我們對采集數(shù)據(jù)的分析，地溝和外部環(huán)境濕度的變化都和天氣變化有密切的關系，強烈的天氣變化會帶來較大的濕度變化，因此我們特地選取天氣為“多云-雨-晴”的連續(xù)三天的數(shù)據(jù)做相關分析。實驗結(jié)果及相關結(jié)論如下：

圖3是三天中固定時間間隔18個探頭的濕度值。

從圖3中的總體趨勢來看，開關柜后艙下部及中下部的探頭1點到8點點濕度基本一致，中部的9點和10點位過渡點，占據(jù)的開關柜后艙中部及上部的探頭11點到15點濕度基本一致。為了進一步證實這個趨勢，計算了后艙各探頭濕度在這三天中的和探頭1（開關柜后艙底部防火泥附近）及探頭13（開關柜后艙頂部百葉窗附近）的相關性，結(jié)果如表1所示，探頭位置由低到高排列。

由表1可見，第一天由于后艙底部的1點和后艙頂部的13點相關性較差（底部濕度較高），造成1點和2點至9點的相關性較強（0.93以上）而和11點至15點的相關性較弱（0.4左右）；但13點和11點至15點的相關性較強（0.93以上）而和1點至9點的相關性較弱（不到0.5）。10點作為過渡點，其和1點及13點相關性一般（0.88，0.72）。

也就是說在加熱和除濕條件下將整個后艙內(nèi)濕度空間分為上下兩部分，絕緣擋板及以下自成一個濕度體系，受加熱和除濕的影響；絕緣擋板以上自成一個濕度體系，濕度受頂窗影響。下雨時，柜外大氣濕度通過柜頂窗口迅速向柜內(nèi)滲透，造成后艙上部濕度迅速提升，雨后天晴，濕度通過頂窗迅速散發(fā)。

5 結(jié)論

本文設計了金屬封閉開關柜內(nèi)溫濕度狀態(tài)監(jiān)測及評估試驗的方案和步驟，通過分析實際運行開關柜內(nèi)不同時間段和不同天氣溫濕度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在加熱和除濕條件下將整個后艙內(nèi)濕度空間分為上下兩部分，絕緣擋板及以下自成一個濕度體系，受加熱和除濕的影響；絕緣擋板以上自成一個濕度體系，濕度受頂窗影響。下雨時，柜外大氣濕度通過柜頂窗口迅速向柜內(nèi)滲透，造成后艙上部濕度迅速提升，雨后天晴，濕度通過頂窗迅速散發(fā)。

因此在接下來的研究中，我們將著力分析和研究地纜溝的水汽對柜內(nèi)溫濕度的影響以及除濕機和加熱器對柜內(nèi)溫濕度的影響。同時，擬通過應用有限元分析軟件ANSYS對在不同位置的除濕機和加熱器情況下柜內(nèi)的潮濕空氣流動情況下進行仿真分析，為金屬封閉開關柜內(nèi)凝露機理及解決措施研究供有利參考與指導作用。

（通訊作者：鄭悠）

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作者簡介

吳英俊（1971-），男。現(xiàn)為國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司高級工程師。研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。

通訊作者簡介

鄭悠（1981-），男。現(xiàn)為寧波工程學院電子與信息工程學院講師。主要研究方向為故障診斷和智能電網(wǎng)。

作者單位

1.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司 浙江省寧波市 315000

2.寧波工程學院電子與信息工程學院 浙江省寧波市 315000