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(guān)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(guān)柜爆炸事故。本文利用自制的多路溫濕度在線測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取開關(guān)柜內(nèi)濕度的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)柜內(nèi)濕度分布規(guī)律進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】濕度分布 金屬封閉開關(guān)柜 凝露 遠(yuǎn)程多路溫濕度采集系統(tǒng)

1 引言

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)非常重要的電氣設(shè)備，封閉式高壓開關(guān)柜以其安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、占地省、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于供電系統(tǒng)中。但是由于開關(guān)柜內(nèi)部大量采用有機(jī)絕緣材料及過于緊湊的布置、高度的密閉性，當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)的空氣濕度很高時(shí)，水汽會(huì)與開關(guān)柜內(nèi)部的金屬和絕緣材料等相對(duì)氣溫較低的物體發(fā)生接觸，會(huì)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(shè)備絕緣閃絡(luò)和腐蝕零件，從而給開關(guān)柜的安全運(yùn)行帶來隱患。

為此電力公司通常采取在開關(guān)柜內(nèi)增加加熱棒和電扇，放置除濕機(jī)，柜頂加裝百葉窗等幾項(xiàng)措施來降低開關(guān)柜中電氣設(shè)備周圍的濕度，避免凝露現(xiàn)象。然而，通常對(duì)開關(guān)柜濕度的來源和分布的認(rèn)識(shí)往往是基于長期經(jīng)驗(yàn)的估計(jì)和對(duì)事故開關(guān)柜的檢測(cè)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(guān)柜濕度來源和分布對(duì)現(xiàn)有的除濕措施進(jìn)行評(píng)估，提出更好地防凝露、結(jié)露的方案。

2 金屬封閉開關(guān)柜內(nèi)濕度測(cè)量

2.1 溫濕度與凝露的關(guān)系

溫度與濕度是水蒸氣發(fā)生凝露的直接原因。在開關(guān)柜內(nèi)部溫度不變的情況下，開關(guān)柜內(nèi)部空氣的相對(duì)就濕度越大，水蒸氣在開關(guān)柜柜壁表面越容易凝結(jié)。即水蒸氣凝露速度與開關(guān)柜內(nèi)部空氣濕度成正相關(guān)。在空氣相對(duì)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(diǎn)溫度，水蒸氣就會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象。環(huán)境溫度越低，冷凝速度越快，開關(guān)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(guān)柜內(nèi)部發(fā)生冷凝現(xiàn)象，就必須實(shí)時(shí)監(jiān)控開關(guān)柜內(nèi)部的溫濕度。

2.2 溫濕度在線采集系統(tǒng)

在設(shè)備方面，為了實(shí)時(shí)地和準(zhǔn)確地采集開關(guān)柜內(nèi)的濕度和溫度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)和制作了一套基于GSM的遠(yuǎn)程溫濕度在線采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括三個(gè)部分：高精度的溫濕度傳感器，遠(yuǎn)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(dá)±2%RH，溫度的精度可達(dá)±2℃，符合實(shí)驗(yàn)的要求。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊以STC89C52單片機(jī)為主控，負(fù)責(zé)多路溫濕度傳感器或PC機(jī)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(tái)開發(fā)，通過串口接收下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，并在服務(wù)器中保存和顯示。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了獲得詳實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案如下：帶電開關(guān)柜，耐火泥無孔，除濕機(jī)和加熱器工作，探頭在不影響開關(guān)柜工作的情況下盡可能均勻分布安裝。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為蔡郎變。蔡郎變是一個(gè)35KV的主干變電站，多次發(fā)生凝露引起的開關(guān)柜爆炸。在這個(gè)測(cè)試場(chǎng)地可提供爆炸多發(fā)區(qū)開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)下的溫濕度的變化。為了進(jìn)一步增加典型性，特別選取了一個(gè)剛爆炸過的開關(guān)柜放置溫濕度探頭。蔡郎變溫濕度探頭的分布如圖2所示?？紤]到后艙是爆炸主發(fā)點(diǎn)，1-15號(hào)探頭從底部至頂部均勻安置于后艙，16，17號(hào)探頭安置于前艙，19號(hào)探頭安裝于艙外用于觀測(cè)環(huán)境溫濕度。除濕機(jī)和加熱器位于柜內(nèi)右下角處，即探頭3附近。

在采集時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)我們對(duì)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(guān)系，強(qiáng)烈的天氣變化會(huì)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(guān)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)結(jié)論如下：

圖3是三天中固定時(shí)間間隔18個(gè)探頭的濕度值。

從圖3中的總體趨勢(shì)來看，開關(guān)柜后艙下部及中下部的探頭1點(diǎn)到8點(diǎn)點(diǎn)濕度基本一致，中部的9點(diǎn)和10點(diǎn)位過渡點(diǎn)，占據(jù)的開關(guān)柜后艙中部及上部的探頭11點(diǎn)到15點(diǎn)濕度基本一致。為了進(jìn)一步證實(shí)這個(gè)趨勢(shì)，計(jì)算了后艙各探頭濕度在這三天中的和探頭1（開關(guān)柜后艙底部防火泥附近）及探頭13（開關(guān)柜后艙頂部百葉窗附近）的相關(guān)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(diǎn)和后艙頂部的13點(diǎn)相關(guān)性較差（底部濕度較高），造成1點(diǎn)和2點(diǎn)至9點(diǎn)的相關(guān)性較強(qiáng)（0.93以上）而和11點(diǎn)至15點(diǎn)的相關(guān)性較弱（0.4左右）；但13點(diǎn)和11點(diǎn)至15點(diǎn)的相關(guān)性較強(qiáng)（0.93以上）而和1點(diǎn)至9點(diǎn)的相關(guān)性較弱（不到0.5）。10點(diǎn)作為過渡點(diǎn)，其和1點(diǎn)及13點(diǎn)相關(guān)性一般（0.88，0.72）。

也就是說在加熱和除濕條件下將整個(gè)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(gè)濕度體系，受加熱和除濕的影響；絕緣擋板以上自成一個(gè)濕度體系，濕度受頂窗影響。下雨時(shí)，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(shè)計(jì)了金屬封閉開關(guān)柜內(nèi)溫濕度狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估試驗(yàn)的方案和步驟，通過分析實(shí)際運(yùn)行開關(guān)柜內(nèi)不同時(shí)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(gè)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(gè)濕度體系，受加熱和除濕的影響；絕緣擋板以上自成一個(gè)濕度體系，濕度受頂窗影響。下雨時(shí)，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(duì)柜內(nèi)溫濕度的影響以及除濕機(jī)和加熱器對(duì)柜內(nèi)溫濕度的影響。同時(shí)，擬通過應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)在不同位置的除濕機(jī)和加熱器情況下柜內(nèi)的潮濕空氣流動(dòng)情況下進(jìn)行仿真分析，為金屬封閉開關(guān)柜內(nèi)凝露機(jī)理及解決措施研究供有利參考與指導(dǎo)作用。

（通訊作者：鄭悠）

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作者簡介

吳英?。?971-），男。現(xiàn)為國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司高級(jí)工程師。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

通訊作者簡介

鄭悠（1981-），男?，F(xiàn)為寧波工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)楣收显\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(xué)院電子與信息工程學(xué)院 浙江省寧波市 315000