【防凝露加热器】产品︱户外型智能控制柜凝露预防

中国电力技术学会将于2016年9月26-27日在安徽省合肥市举行“2016第五届新能源发展系统技术创新大会”(原称“分布式发电与微网技术大会”)。主题是“能源互联网核心技术、储能电站、微电网建设”。

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西安西电开关电气有限公司的研究人员叶瑞、张豪俊、张冰冰、查笑春、葛允，在2016年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，智能控制柜是智能化变电站的重要设备，智能电网所用的大量电子装置下放GIS就地智能控制柜后，装置运行的可靠性将直接影响到供电质量以及供电可靠程度。

由于地区差异以及户外多变的天气情况，致使户外智能控制柜的内外温湿度变化剧烈，易发生柜内凝露现象，导致电力智能装备的使用寿命下降以及电网的异常运行。

本文详细阐释了变电站室户外智能柜凝露现象产生的原理，并结合本公司产品，提出了有效地凝露防治措施，为保障供电可靠性起到了积极的作用。

随着国家电网公司建设“统一坚强的智能电网”的提出，作为智能元器件的存放单元，智能控制柜的性能直接影响到二次元件的稳定性以及电站的可靠运行。对于户外型智能控制柜，在一些高寒或湿度较大的地区，智能控制柜或一些二次元件的表面很容易出现凝露现象，从而引起腐蚀，影响设备的机械、电气性能，造成绝缘性能下降，导致开关勿动、拒动等故障。

本文针对凝露现象，综合考虑控制柜的防护等级、电磁屏蔽、保温等因素，设计了一套温湿度控制系统，该系统不仅保证了电子元件的绝缘性能以及电气设备的可靠运行，而且可以延长柜内元件的使用寿命，降低故障发生率，减少二次元件损坏造成的维护、维修成本。

1 凝露的形成原理

凝露是自然界一种非常普遍的物理现象。对于戴眼镜的人群来说是再熟悉不过了，冬天，当从户外进入室内时，镜片上就会有一层水珠凝结，这就是凝露现象。

对于开关柜而言，所谓凝露现象，就是指当控制柜柜体内壁表面温度下降到露点温度以下时，柜体内壁表面发生的水珠凝结现象。控制柜柜体是否发生凝露现象，主要取决于环境温度、柜内温度、相对湿度以及露点温度。

露点温度又称露点（Td），指在固定气压下，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要将至的温度。对应的饱和状态的水蒸气的含量，称为“饱和水蒸汽量”，此时的空气称为“饱和空气”，当饱和空气温度下降时，空气中的水蒸气将凝结成水珠。因此，露点温度又称为含有水蒸气的空气的饱和温度。

相对湿度（RH），指的是单位体积空气内实际所含的水汽密度和相同温度下饱和水汽密度的百分比。除了这种表示方法之外，相对湿度还可以用实际的空气水汽压强Pn和同温度下饱和水汽压强Ps的百分比来表示。

空气温度越高，所能容纳的水汽量就越多；而温度越低，其内部水汽就越容易达到饱和状态。综上，可以得出以下结论，对于饱和空气而言，其水蒸气压强Ps与空气温度T成正比，因此，其相对湿度RH随温度T升高而降低，即成反比例关系。下面给出了空气温度T、相对湿度（%RH）、露点温度（Td）之间的关系图，如图1所示：

图1 空气温度、相对湿度、露点温度关系曲线图

从图1可以看出，当环境温度保持不变时，随着相对湿度的增加，对应的露点温度也升高且越来越接近环境温度，即空气温度。简言之，即相对湿度越高的空气，发生凝露的概率就越大。因此，对于户外智能控制柜来说，凝露一般出现在箱柜的内壁或柜内二次元件表面，即当表面温度低于柜内空气的露点温度时，柜内壁或柜内二次元件表面就会发生凝露现象。

设备在长期运行过程中，因环境温湿度的变化，凝露现象时有发生，会导致二次设备的老化、控制柜内设备绝缘强度的下降以及缩短使用寿命。除此之外，也会造成一些潜在的危害，例如：直流接地，从而导致保护装置误动或者拒动；端子排因生锈腐蚀接触不良，从而导致二次回路开路等等。这些问题都会影响到设备的可靠运行以及供电可靠性。因此，采取有效措施防止变电站户外智能控制柜发生凝露现象，对正常供电具有非常重要的意义。

2 智能控制柜防凝露的具体实现

随着智能控制柜的广泛应用，如何防止凝露现象的发生已成为众多生产厂家必须面对、克服的一个问题。通过对凝露产生的原理研究，以及经过大量试验验证，智能控制柜的设计者和制造厂家采取了多种措施，主要分为如下三类：尽可能地降低智能控制柜内的湿度；确保智能控制柜内的表面温度始终高于环境温度；采用轴流风机将湿空气排出，增加内外空气流通。

综上，通过上述三类措施的相互配合，可以预防智能控制柜内凝露的产生。然而，在实际的研发设计中，除了考虑凝露现象，还应兼顾防护等级、电磁屏蔽等能引起绝缘性能降低的因素。

本文以高压开关智能控制柜为试验试品，结合公司产品特征，研发了一套GIS智能柜用智能温湿度控制系统，该系统可以控制升、降温设备以及除湿设备的工作，同时还具有数字传输功能，可以把实时地把温湿度信息上传至后台监测系统，完成对温湿度数据的远程监控，在国网智能控制柜性能检测评比中，均一次性通过了各项检测项目。

在实际的凝露预防中，该系统有两种工作模式：一、制冷除湿模式，二、加热除湿模式。下面对两种工作模式的工作原理进行简要说明。

2.1 制冷除湿模式

图2 制冷循环示意图

图2给出了制冷除湿模式下的循环示意图，其中各部分的构成分别为：1 压缩机，2 换热器（冷凝器），3 膨胀阀，4 换热器（蒸发器），5 风机（外循环），6 风扇（内循环），7 带温湿度传感器的电子控制系统。

在制冷过程中，压缩机将制冷剂压缩至液体，整个过程为散热过程，因此会使周围空气的温度升高；此时冷凝器风扇吸入冷空气，热量由空气带出；然后冷凝器中的热量散失到周围环境中，在膨胀阀中冷却液压力下降，在蒸发器中，冷却剂吸收机柜内空气的热量并蒸发；最后，来自机柜内的空气循环且通过蒸发器，最后将冷空气吹回至机柜内部。

综上，当柜内温度较高且湿度较大时，开启制冷除湿模式且输出最大制冷效率。迫使空气在经过蒸发器后湿度大幅下降，最终以冷凝水的形式析出，进而利用蒸发器一侧的空调截流并通过水槽排放至机柜外部。当制冷模式达到一定平衡状态时，空气湿度也会因此降低，从而防止凝露现象的发生。

2.2 加热除湿模式

当环境温度较低时，制冷除湿模式的效果不是很理想。当湿度高于设定值时，控制器会自动开启加热功能，促使柜内相对湿度变小，局部相对湿度可降至30%左右。

在该工作模式下，加热器的启动值一般设定在80%，需要指出的是，该工作模式只是降低了相对湿度，并不会降低柜内空气总的绝对湿度。

因此，在平常的保养维护时，须确保智能控制柜密闭，并且保持柜内温度不低于零度，从而避免发生冷凝现象。即相对湿度较低时，将会避免出现凝露现象。

3 温湿度控制系统设计

温湿度控制系统可以实现多路温湿度调节控制，每一路控制输出对应一组继电器触点，三路控制输出可用来控制升温设备、降温除湿设备和换气设备。如果设备的功率超过了本装置的负载能力，可使用高性能继电器对输出节点进行扩容。

温湿度控制系统与监测后台通讯采用基于RS485总线的MODBUS协议完成，配合温湿度后台监测软件不仅可以实现柜内实时数据的在线监测，而且可以实现对柜内空调、加热器和换气设备动作控制，通过该系统的使用，可以为控制柜提供合适的温湿度环境，避免凝露现象的发生，为柜内智能组件提供可靠地运行环境。

3.1 硬件电路设计

温湿度控制系统的硬件架构以单片机为处理单元，各部分按照功能进行划分安装，硬件结构主要由温湿度采集模块，A/D模块，电源模块，中央处理器模块，控制输出模块，键盘输入模块，复位模块，显示模块组成，系统结构图如下图3所示：

图3 系统结构图

3.2 软件设计

温湿度控制系统的功能实现以硬件平台为基础，主要实现温湿度的数据采集以及温湿度预置的输入与存储，根据当前控制柜内的温湿度数据控制继电器的输出，并将实时监测数据发送至上位机进行分析存储。

3.2.1 软件总体设计

温湿度控制系统的软件是运行在单片机中的嵌入式系统，整个软件包括5部分，分别为主程序模块、数据采集解码模块、系统设置模块、机电控制模块以及后台通讯模块。软件系统结构图如下图4所示。

其中，主程序模块主要协调各模块之间的工作以及上下位机之间的数据传输；数据采集解码模块负责控制A/D采集传感器数据，并将解码后的数值存储在FLASH中；系统设置模块为温湿度控制系统的参数输入单元，主要获取键盘输入的阈值，该值是系统控制输出的依据；继电控制模块作为动作输出模块，负责执行主程序的分合命令；后台通讯模块采用MODBUS协议，负责发送监测数据。

图4 软件系统结构图