基于自控技術的高壓開關柜恒溫除濕系統設計與應用

翟淑慧 牛衛平 張開宇

摘要：針對室外高壓開關柜極易受到自然環境變化的影響，譬如在一些高溫高濕的天氣，潮濕的空氣進入柜體內接觸到電氣設備凝結成水珠，很可能造成線路絕緣性能下降甚至短路的情況，本文設計基于自控技術的高壓開關柜恒溫除濕系統，解決電氣柜的凝露現象，避免由于發生凝露而引起爬電、閃絡事故，提高電力設備的安全運行水平。

關鍵詞：開關柜、凝露、智能控溫、冷凝除濕

1 概述

高壓開關柜是重要的電力設施，為了防止水進入開關柜需要封閉開關柜，但是封閉的同時也導致內部的潮氣不能順利排出，而產生受潮的情況。當高壓開關柜中的潮濕空氣達到露點溫度形成液體水時，會降低絕緣能力，對開關柜中電力設備的機械和電氣特性產生影響。嚴重情況下凝露在開關柜頂部的水珠下滴到運行設備上，將使開關柜放電，從而造成大面積停電事故。

為了避免室外開關柜受自然環境變化的影響發生凝露而引起的爬電、閃絡事故，提高電力設備的安全運行水平，本文設計開關柜智能控溫冷凝除濕系統，基于物聯網的聯動控制管理，保障其內部干燥程度，防止因濕度過高產生銹蝕與霉菌而導致的柜內設備老化、絕緣強度降低、二次端子擊穿、材料霉變及鋼結構件銹蝕等安全隱患。

2 冷凝除濕機理

本文采用的開關柜智能控溫除濕技術，主要利用不同材料半導體聯結成對并通入直流電后產生的物理特性，即一面發熱，一面制冷，形成新型的半導體冷凝除濕裝置并將其應用在高壓開關柜內。通過制冷面溫度小于環境的溫度，使得環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柜外。

2.1 半導體制冷原理

半導體制冷機理其實是一種熱泵類的熱電制冷片，對由兩個不一樣材質組合而成的半導體聯結熱電偶對通入直流電時，在熱電偶對的兩側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，就產生了新型半導體制冷技術。這種制冷技術就是能夠產生負熱阻的方式，它的優點是沒有機械旋轉元件，穩定性非常高。

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

在材料中，不僅需要兩種半導體的物理和電學特性，而且也改變了半導體熱電雜質的摻雜率。所使用半導體材質不同，對最后成品的半導體制冷性能影響非常大。在理論上，半導體制冷芯片是一種傳熱工具。將P型、N型半導體材質湊在一起組合成熱電偶對，一旦對該電偶對進行通電，該電偶對上就發生有熱的傳遞。具體來說，如果電流從N側流向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，溫度會上升，放熱，形成熱端。

2.2 半導體電偶對的結構

根據電導特性，當電流通過半導體時，半導體本身具有電阻，能產生熱，將有熱傳導影響。并且在半導體以及空氣的影響下，熱量也會自主得發生自我傳遞。當冷熱端達到一定溫度差時，兩個換熱相等，從而達到平衡點。此時，換熱不會再發生，兩端的溫度也不會改變。想要使半導體繼續傳熱，只有選用另一種降溫方式來使發熱部位的熱量減少，從而讓冷凝效果變得尤為明顯。圖2所示為半導體電偶對的結構圖。

制冷片由兩種不同材質半導體聯結組成。它突出的特點是沒有轉動部位，也不需要更換制冷劑，穩定性能較高，非常適合空間狹小以及受安全距離影響的地方。

3 智能自動控制冷凝除濕系統設計

通過以上分析，基于半導體冷卻片的除濕原理具有一定的除濕優勢。為了能夠對開關柜內空氣相對濕度的改變情況進行實時監督，保證較大的空氣的相對濕度能夠開啟半導體冷凝除濕裝置，本文對半導體冷凝除濕裝置的結構及基于單片機的控制方法進行研究設計?；趩纹瑱C的控制裝置不僅能夠對高壓開關柜內部空氣的相對濕度進行準確監測，也能保證半導體冷凝除濕裝置的有效運行。通過智能自動控制的冷凝除濕系統，改變傳統的加熱型除濕系統導致的空氣整體向上流動，使開關柜內的水分徹底凝露在開關柜底部。

結合變電站室外開關柜的現場環境，本文設計的冷凝除濕系統能夠對開關柜內空氣的相對濕度準確監測，同時及時將半導體冷凝除濕裝置啟動，保證半導體冷凝除濕裝置安全穩定運行，這樣冷凝后的水滴才能排出開關柜。系統原理如圖3所示：

濕度傳感器測量變電站開關柜的電流和濕度數據，通過模數轉換模塊將模擬電壓轉換為數字量，然后傳入單片機。單片機從濕度傳感器中獲得的采樣數值，跟預先在單片機中設定的濕度定值進行對比，若所傳感器傳送的數據，即測得的濕度值比設定值高，那么就啟動半導體冷凝除濕裝置。相反，如果測得的濕度低于設定值，停止半導體冷凝除濕裝置。從而構成一個由單片機控制濕度穩定的負反饋系統。顯示器用于顯示環境濕度值和設定的閥值。半導體冷凝除濕裝置用于環境濕度超過閥值時啟動，以降低空氣濕度。鍵盤模塊用于設定濕度閥值。

通過不同濕度值來確定半導體冷凝除濕裝置的啟停定值，在滿足除濕目的的前提下，以節約成本的設計達到最良好的除濕效果。

由于半導體冷凝除濕裝置在工作的時候會在一側形成制冷面，空氣在遇到制冷面時，空氣中的水汽會在制冷面凝露，并將其引導至排水口排出。另一側會形成發熱面，為了半導體冷凝除濕裝置更好的工作以及熱量的有效散發，在制熱面裝設一個依附在半導體制熱面的散熱風機，風力方向為由制熱面向外，這樣做的目的是將環境中的空氣引向裝置中，使得高壓開關柜內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 應用效果

智能控溫除濕系統在國網祥符供電公司的室外10kV環網柜中進行了實際應用，實踐及數據證明，智能控溫除濕系統能夠實現自動調節濕度，有效防止了凝露現象，可保持電力設備柜體、箱體內環境在規定的干濕范圍，提高設備使用壽命，確保安全運行。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，同樣具有應用價值。因此，將高壓開關柜、環網柜等電氣柜內傳統的加熱除濕系統改造成新的智能控溫冷凝除濕系統，一來可降低傳統加熱器帶來的局部環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的整體環境濕度，使設備今后的運行環境能夠變得干燥，擯除因濕度高給開關柜帶來的安全隱患;同時，能節省一定的電能，降低運維成本，經濟效益顯著。

5結束語

本文設計了基于自控技術的開關柜恒溫除濕系統，可以實時監測開關柜內的溫度和濕度，并采用半導體制冷方式除濕，將柜體內的潮濕空氣吸收到機器內部，空氣中的水汽經過半導體制冷機構后冷凝成水排出柜體達到理想的除濕效果。安裝本裝置可降低開關柜內空氣中的水份含量，有效抑制柜內相對濕度的上升，破壞凝露的形成條件，從根本上解決電氣柜凝露現象，實際應用效果顯著。

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