“冷點(diǎn)”除濕方法在變電站室外箱體中的應(yīng)用

董肇暉　翟博　李秋實(shí)　張亞晨

【摘 要】此項(xiàng)目是針對(duì)室外箱體內(nèi)設(shè)備濕度大，二次原件工作環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有驅(qū)潮加熱器工作原件進(jìn)行分析，查找設(shè)備除濕薄弱環(huán)節(jié)，從設(shè)備含濕變化原理出發(fā)，創(chuàng)新性提出室外箱體“冷點(diǎn)”除濕方法。原有的室外箱體除濕功能主要依靠驅(qū)潮加熱器實(shí)現(xiàn)，其原理是通過提高箱體溫度延緩箱體濕度達(dá)到飽和，并不能使箱內(nèi)濕氣有效排出箱體，如進(jìn)入雨季，箱體環(huán)境溫度突降，則很容易使箱內(nèi)凝露，此時(shí)只能繼續(xù)提高加熱功率，如此使箱內(nèi)在雨季進(jìn)入高溫高濕環(huán)境，更加不利于二次元件正常工作。為解決這一問題，本文提出利用電子制冷器的制冷端在箱內(nèi)制造一個(gè)“冷點(diǎn)”通過定點(diǎn)凝露的方式將潮氣排出，再通過加熱端將冷凝干燥后的空氣加熱排入箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)循環(huán)除濕加熱。

【關(guān)鍵詞】“冷點(diǎn)”除濕；循環(huán)除濕加熱

1 室外箱體理想工作環(huán)境與現(xiàn)狀

1.1 室外箱體理想工作環(huán)境

在變電站中所謂室外箱體通常指一次設(shè)備的機(jī)構(gòu)箱、端子箱、匯控箱、檢修電源箱等設(shè)備。此類設(shè)備內(nèi)承載控制一次設(shè)備動(dòng)作、反應(yīng)一次設(shè)備工況的各種二次系統(tǒng)元件，主要以端子排、繼電器、接觸器、微動(dòng)開關(guān)、輔助節(jié)點(diǎn)、控制按鈕和二次電纜為主。其工作電壓通常為交、直流220V，絕緣介質(zhì)一般為空氣和絕緣塑料，絕緣距離一般為厘米級(jí)。為保障上述設(shè)備能夠正常工作理想情況下希望設(shè)備在常溫、干燥的環(huán)境中工作。原因如下：如溫度過高會(huì)影響塑料絕緣性能、降低使用壽命；如溫度過低會(huì)使塑料變脆降低使用壽命，在元件動(dòng)作時(shí)易發(fā)生設(shè)備開裂、產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)卡澀、元件動(dòng)作不正確的現(xiàn)象；如濕度過大不僅會(huì)加劇元件老化、修飾影響使用壽命，而且還會(huì)在低溫下產(chǎn)生凝露，導(dǎo)通部分二次回路，導(dǎo)致二次回路誤動(dòng)作，如高濕遇到高溫會(huì)加劇二次元件老化、銹蝕、卡澀，導(dǎo)致二次元件拒動(dòng)可能性加大。所以室外箱體理想工作環(huán)境為干燥常溫，其中干燥是關(guān)鍵、不能箱體內(nèi)部不能凝露是基本要求。

1.2 室外箱體實(shí)際工作環(huán)境

在實(shí)際情況中室外箱體長期暴露在雨、霧、風(fēng)、雪等環(huán)境中，自然環(huán)境中的水分會(huì)不斷向箱體內(nèi)侵入。為避免雨水侵入，箱體的二次電纜會(huì)從箱體下方進(jìn)入箱體，此時(shí)箱體會(huì)像一個(gè)罩子扣在電纜溝上方，溝內(nèi)的潮氣在煙囪效應(yīng)下（指特點(diǎn)空間內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間向上升，并不斷將戶外的空氣抽入填補(bǔ)，造成空氣加強(qiáng)對(duì)流的現(xiàn)象，也稱拔火拔煙）不斷進(jìn)入箱體，在特定環(huán)境下箱內(nèi)濕度會(huì)遠(yuǎn)大于大氣濕度，而晝夜溫差會(huì)使這一現(xiàn)象加劇，并在箱體內(nèi)部產(chǎn)生凝露、結(jié)霜甚至結(jié)冰。

1.3 目前治理方法及不足

為應(yīng)對(duì)上述現(xiàn)象，傳統(tǒng)上室外箱體中會(huì)采取開通風(fēng)孔、定期晾曬和安裝驅(qū)潮加熱器的方法進(jìn)行治理，下降對(duì)這三種方法的工作原理和不足分別說明。

通風(fēng)孔：該方法是在箱體兩側(cè)對(duì)開兩個(gè)小孔，使箱體與環(huán)境形成對(duì)流，將電纜溝升騰進(jìn)入的水汽拍到室外，進(jìn)而降低箱體濕度的方法，此方法能夠?qū)⑾鋬?nèi)濕度保持與大氣基本一致，因上面講過，箱內(nèi)濕度會(huì)遠(yuǎn)大于環(huán)境濕度，故此方法能降低箱內(nèi)濕度。但該方法具有一定局限性，對(duì)于沿海、山區(qū)或其它潮濕地區(qū)或環(huán)境中，如大氣濕度趨于飽和，則箱內(nèi)濕度也會(huì)趨向飽和甚至過飽和，并在溫差下產(chǎn)生凝露，不能完全滿足箱體工作要求。

定期晾曬：該方法是指在箱體工作一段時(shí)間，或者經(jīng)過一段比較潮濕的時(shí)間后，在外界環(huán)境較好的情況下（通常指干燥、威風(fēng)、日照足的環(huán)境）打開箱體進(jìn)行晾曬，促使箱體內(nèi)濕氣迅速排出。該方法只能作為箱體內(nèi)部受潮后的補(bǔ)救措施，并不能防止箱體內(nèi)濕度過大，且晾曬時(shí)必須有人員看護(hù)，防止突然下雨或者有小動(dòng)物、昆蟲進(jìn)入，影響設(shè)備正常運(yùn)行。

安裝驅(qū)潮加熱器：該方法是通過在箱體內(nèi)部安裝加入器，當(dāng)濕度過大時(shí)通過濕度控制器啟動(dòng)，迅速提高箱體內(nèi)溫度。根據(jù)溫濕度曲線，溫度上升濕度（飽和度）下降，以此防止設(shè)備凝露的應(yīng)急手段。同時(shí)溫度上升會(huì)提高箱體內(nèi)的氣壓，使箱體內(nèi)的氣體向箱體外排出，以此降低箱體內(nèi)的含水量。但是因箱體通常具有一定的密封性，此方法所產(chǎn)生的壓差并不能有效的將箱體內(nèi)的濕氣排出，如一味提高加熱功率還會(huì)是箱內(nèi)產(chǎn)生高溫，如停用加熱器會(huì)使潮氣更快速進(jìn)入箱內(nèi)，如此進(jìn)入悶濕的惡性循環(huán)，而上面說過高溫高濕、即使不凝露也會(huì)是二次元件生銹，如此時(shí)遇到氣溫突降，加熱功率不能維持溫度，會(huì)在箱體內(nèi)產(chǎn)生更嚴(yán)重的凝露。

2 室外箱體“冷點(diǎn)”除濕方法的使用及注意事項(xiàng)

2.1 “冷點(diǎn)”除濕方法的使用

本文創(chuàng)新性提出室外箱體“冷點(diǎn)”除濕方法。即在箱體內(nèi)人為制造一個(gè)冷點(diǎn)，將空氣中的水分通過定點(diǎn)冷凝再排出箱外，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：利用制冷器（推薦使用電子制冷器）的制冷端在箱內(nèi)特點(diǎn)位置制造一個(gè)“冷點(diǎn)”通過定點(diǎn)凝露的方式將潮氣中的水分凝結(jié)并通過排出箱體，再通過加熱端將冷凝干燥后的空氣加熱排入箱內(nèi)，根據(jù)焓濕變化原理，制冷器制冷端的制冷量不大于散熱端的散熱量，而退水后的干空氣熱容量小于脫水前的濕空氣。所以除濕裝置的出口風(fēng)溫會(huì)大于入口風(fēng)溫，對(duì)于整個(gè)箱體而言，“冷點(diǎn)除濕”實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)加熱器脫水裝飾，實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)循環(huán)除濕加熱功能。此種方法直接針對(duì)箱體內(nèi)部的水分，可將水分排出箱體，而所產(chǎn)生的溫升實(shí)際上相當(dāng)制冷器的有功消耗，相對(duì)于大功率的加熱器，此種方法的溫升相對(duì)較小，能夠基本滿足室外箱體干燥常溫的工作環(huán)境要求。

2.2 “冷點(diǎn)”除濕方法與加熱除濕方法的焓濕圖對(duì)比

為了更清楚的對(duì)比“冷點(diǎn)”除濕與加熱防凝露兩種方法的效果，用焓濕圖進(jìn)行兩個(gè)方式的工況變化模擬。假定室外箱體為密封狀態(tài)，箱體內(nèi)溫度為26℃、相對(duì)濕度90%、含濕量19g/kg，總體焓增4kJ/kg（總體熱力學(xué)耗能）兩種溫方式焓濕圖變化情況如下：

如圖1所示，加熱器驅(qū)潮工作時(shí)，加熱器附近氣體經(jīng)過A過程水分含量未發(fā)生變化，相對(duì)飽和度隨著溫度變化從90%下降到70%。如圖2所示，當(dāng)“冷點(diǎn)”除濕器工作時(shí)，除濕器附近氣體首先經(jīng)過B過程，水分含量未發(fā)生變化，相對(duì)飽和度隨著溫度下降到達(dá)100%，而后經(jīng)過C過程，部分水分在冷凝器上凝結(jié)排出，含水量從19g/kg降到16g/kg，最后經(jīng)過D過程，在散熱器上升溫，溫度升至37℃左右，相對(duì)飽和度為40%。

經(jīng)過對(duì)比可知相同“冷點(diǎn)”除濕器工作中氣體含水量下降，箱體內(nèi)氣相對(duì)干燥、且更加節(jié)能。

2.3 “冷點(diǎn)”除濕方法的注意事項(xiàng)

對(duì)“冷點(diǎn)”除濕裝置在使用過程中需注意制冷方式選擇、氣體循環(huán)控制、啟動(dòng)濕度控制三個(gè)方面，具體說明如下。

制冷方式選擇：現(xiàn)有的制冷形式有壓縮機(jī)制冷、光化學(xué)制冷和電子制冷幾種，理論上講任何一種制冷形式都可以滿足上述工作要求，但針對(duì)本文說描述的室外箱體，以電極制冷作為合適。如選用壓縮機(jī)制冷，不僅造價(jià)高，在壓縮機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，對(duì)箱體內(nèi)二次元件會(huì)產(chǎn)生影響，如果以氨等危化品作為制冷劑會(huì)存在還安全隱患。如選用光化學(xué)制冷，首先產(chǎn)生的溫差較小，凝露脫水效果不佳，且制冷裝置不易小型化，而光化學(xué)制冷劑通常為?；罚坏┌l(fā)生泄漏對(duì)損害箱體內(nèi)二次元件。本文建議選用電子制冷，該方式制冷器通過電效應(yīng)制冷，不需要制冷劑，且體積小、制冷溫差大，對(duì)箱體布局影響小，便于后期改造安裝。

氣體循環(huán)控制：“冷點(diǎn)”除濕裝置工作原理時(shí)需要不斷的有濕空氣接觸制冷端冷凝，并將脫水后的干空氣不斷送入散熱端加熱，以此保證除濕連續(xù)性，需注意空氣流動(dòng)方向不能反，空氣流動(dòng)不宜過快或過慢，如先經(jīng)過散熱端后過制冷端，則不能實(shí)現(xiàn)凝露脫水。如空氣流動(dòng)速度過快則不利于氣體熱量交換，降低凝露效果。流動(dòng)過慢則會(huì)在制冷和散熱兩端形成溫度極值，不利于除濕裝置使用。

啟動(dòng)濕度控制：在裝置控制中建議參與濕度控制裝置啟動(dòng)，不采用長期運(yùn)行的方式。因?yàn)槿魏沃评淦鞫加幸欢ǖ墓ぷ鲏勖妥畹椭评涠?，如設(shè)備長期投入使用則一方面會(huì)降低設(shè)備使用壽命，另一方面在較低的濕度下啟動(dòng)制冷器，因制冷溫度有效，會(huì)使凝露效果不佳，很難除濕。且箱體內(nèi)出現(xiàn)高濕情況通常在特定時(shí)期，正常情況下只存有低量的的水分，這對(duì)箱體內(nèi)二次元件影響不大，故不必要使除濕裝置長期運(yùn)行。

散熱、散冷器選擇：為了保證裝置正常運(yùn)行，且保證出口風(fēng)溫事宜，應(yīng)根據(jù)箱體具體情況選擇散熱器與散冷器，但基本原則是散熱器換熱量應(yīng)大于散冷器換熱量，如散熱器換熱量小于散了器，會(huì)導(dǎo)致裝置壽命下降，散熱器越大出口風(fēng)溫越大。但散熱器過大，會(huì)占用更大的空間，不利于裝置安裝。換熱計(jì)算公式如下：

Q=A*K*ΔT

Q：換熱量

A：有效換熱面積

K：傳熱系數(shù)

ΔT：溫差

3 治理效果及意義

該方法已經(jīng)在北京地區(qū)500kV變電站進(jìn)行試用，試裝設(shè)備在雷雨季節(jié)未發(fā)生箱內(nèi)濕度過高的現(xiàn)象，相對(duì)于未試裝的箱體，“冷點(diǎn)”除濕裝置能有效提高室外箱體干燥程度，提高設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。隨著一次電力設(shè)備逐步改進(jìn)，變電系統(tǒng)短板已逐步項(xiàng)室外箱體內(nèi)二次設(shè)備轉(zhuǎn)移。究其原因，皆因室外箱體二次元件工作環(huán)境惡劣所致，如果“冷點(diǎn)”出發(fā)方法能在系統(tǒng)中得到推廣，將勢(shì)必提高二次系統(tǒng)整體絕緣水平、降低二次故障發(fā)生率、改善變電系統(tǒng)整體運(yùn)行工況，對(duì)于提高變電系統(tǒng)整體安全運(yùn)行水平、降低變電站運(yùn)行工作量具有積極影響。