周繼承，王流火，林濤，廖一鍵，韓鳳琴，杜兆斌，張堯

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523120；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣東 廣州 510600；3.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641)

在當前新時期環(huán)境下，國家提出了“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的工業(yè)化”的建設要求。移動式預制艙變電站作為新型的智能變電站建造模式，實現(xiàn)了設備的集成化、整體的模塊化、預制的工廠化和系統(tǒng)的整合化[1]，其“快速化、節(jié)約化、智能化”的設計建造理念與新時期工業(yè)建設要求相契合，將成為未來新型智能變電站建設的主流方式[2-4]。

智能變電站采用預制艙式建設方案，在建造周期、經濟性和土地使用效率等方面優(yōu)勢顯著。然而，預制艙變電站布置緊湊且多建造于郊區(qū)，需要綜合考慮當?shù)貧夂驐l件、運行環(huán)境等實際情況來對艙體設計方案進行改進(如南方沿海濕熱地區(qū)側重于防強風、防潮和防腐蝕性能，高寒地區(qū)則側重于防凍及保溫隔熱性能等)，實現(xiàn)差異化運營管理。廣東地處南亞熱帶季風氣候地區(qū)且臨近南海，氣候環(huán)境具有明顯的高溫、高濕、高鹽特點，外部環(huán)境溫度驟變、相對濕度增大等因素容易導致艙體內部發(fā)生潮濕凝露的現(xiàn)象，進而降低設備的絕緣強度[5]，易引起設備故障[6]。

近年來，圍繞加熱除濕、通風除濕、冷卻除濕技術及解決方案，國內外學者及工程人員積極探索新型除濕技術[7]，開發(fā)新型除濕系統(tǒng)[8]，尤其是預制艙與箱式設備的防潮技術及措施[9-10]。

針對通風除濕模式：王延盛等[11]提出柜內通風除濕解決方案，并比較分析正壓、負壓方案的優(yōu)劣；徐富強等[12]分析不同除濕方案的可靠性，結合下進風和半導體冷凝除濕技術，有效解決了端子箱的濕氣排出問題；張煒等[13]對現(xiàn)有戶外環(huán)網(wǎng)柜的結構進行數(shù)值模擬，分析結構、通風口位置與形狀、風速等因素的影響，結果表明優(yōu)化結構和進風口的形狀位置可改善通風環(huán)境并增強防凝露的效果。傳統(tǒng)通風除濕模式的系統(tǒng)結構簡單，有助于調節(jié)內部環(huán)境的相對濕度，但屬于被動式相對濕度調節(jié)方式，不能滿足溫度、濕度驟變環(huán)境下的調節(jié)需求，需要與除濕設備或加熱設備相結合。

針對加熱除濕模式：張建文等[14]提出基于無功環(huán)流的主動熱控制技術，具有溫度調節(jié)范圍寬、受發(fā)電功率影響小等特點，但僅適用于防凝露控制；文獻[15-19]設計并開發(fā)在線監(jiān)測與輔助加熱相結合的防凝露控制系統(tǒng)，實現(xiàn)降溫保護，并在高壓配電室中驗證了溫度、濕度雙向控制的防潮防凝露方法的有效性。但這些方法均以預防為主，對于內部環(huán)境含濕量的動態(tài)調節(jié)作用甚微。因預制艙變電站及箱式電柜中電纜眾多，電纜間均存在間隙，而電纜間隙是造成預制艙及箱式電柜內部環(huán)境持續(xù)潮濕的主要因素之一[20]，僅采用傳統(tǒng)輔助加熱模式不能起到真正的除濕作用[21]，需要采用更高效的除濕技術與設備。

針對冷卻除濕模式：張鵬等[22]開發(fā)基于熱電制冷技術的除濕設備，結果表明該除濕設備的除濕效率是僅采用傳統(tǒng)電加熱除濕模式的5倍；李紅蕾等[23]開發(fā)了智能除濕防凝露控制系統(tǒng)，并從實現(xiàn)方式、綜合能耗方面進行系統(tǒng)評價，發(fā)現(xiàn)采用除濕機相較于空調設備可降低能耗約66%。

本文針對南方高溫高濕的環(huán)境特征，考慮預制艙變電站內部結構緊湊、拼接處與線纜進口處存在潮濕源的特點，開發(fā)基于熱電制冷技術的冷卻除濕方案[27]。參照預制艙的應用環(huán)境，搭建預制艙防潮防凝露測試平臺，分析3種除濕模式在不同潮濕源環(huán)境下的除濕效果，以及在不同相對濕度環(huán)境下各模式的除濕效率與適應性，確定各模式的應用范圍，為預制艙變電站的防潮除濕提供有效的解決方案。

1 試驗與原理

除濕技術可以分為冷卻除濕和加熱除濕[24-26]2種。在冷卻除濕過程中，空氣的除濕是在其被冷卻至露點溫度以下時發(fā)生的。此時，冷卻表面的溫度保持低于空氣露點溫度，當潮濕空氣經過冷卻表面時，溫度開始下降，在某一點達到其露點溫度時，空氣中的水分開始在冷卻表面上形成露水顆粒，從而降低內部潮濕空氣的含濕量。

本文依托東莞長龍預制艙變電站工程中的設備艙，按照除濕設備的布置進行分割，根據(jù)幾何相似按比例2∶9搭建試驗艙體，幾何尺寸為1.84 m×1.38 m×0.8 m。試驗平臺的結構如圖1(a)所示，試驗平臺設備根據(jù)試驗要求進行搭建。采用安捷倫34972A進行溫度測量，相對濕度測點布置如圖1(a)所示。

a)通風模式：采用2個軸流風機，為保障預制艙內滿足DL/T 5035—2019《火力發(fā)電廠采暖通風與空氣調節(jié)設計技術規(guī)程》要求，風機功率為10.8 W，風量為181.9～234.6 m3/h，分別安裝于進風口與出風口處。

b)電加熱模式：采用6組功率為70 W/組的加熱板，總功率為420 W。

c)除濕模式：采用基于熱電制冷技術開發(fā)的除濕設備[27]，其結構如圖1(b)所示，額定功率為400 W。除濕設備采用側掛式安裝于預制艙艙體，使用過程中根據(jù)設備運行環(huán)境參數(shù)進行預設置。熱電制冷原理如圖1(c)所示，熱電PN結材料通過電流時，空穴與電子將產生定向移動，斷鍵與合鍵將產生能量的轉移，其核心效應為帕爾貼效應[28]。該技術具有無機械部件、無噪音、實用壽命長且為固態(tài)制冷等優(yōu)點。

圖1 預制艙實驗平臺

根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準以及Q/GDW 11157—2014《預制艙式二次組合設備技術規(guī)范》要求，試驗的加濕量分別設定為1.967 mL/min(工況1)、3.14 mL/min(工況2)和3.63 mL/min(工況3)，分別模擬常規(guī)潮濕、電纜溝槽受潮以及高溫高濕環(huán)境3種不同的受潮工況。

2 結果分析與討論

2.1 通風模式分析

通風模式是指僅采用通風系統(tǒng)進行內外空氣流動交換以達到降低相對濕度目的的調節(jié)模式。圖2為艙外環(huán)境相對濕度70.5%和加濕工況1下，初始相對濕度分別為95.3%、86%時，啟動通風模式后相對濕度B隨時間t的變化趨勢。在通風模式下，艙內環(huán)境相對濕度開始快速下降，10 min后相對濕度變化率減小，在10 min時艙內相對濕度分別降低至72.6%和72.5%，與艙外環(huán)境相對濕度趨于一致。

圖2 工況1下相對濕度與時間的關系(通風模式)

圖3為艙外環(huán)境相對濕度70.5%和加濕工況1下，初始相對濕度72.6%～97%時，啟動通風模式10 min后相對濕度的變化趨勢。其中，D為10 min內的除濕量，ΔB為10 min內相對濕度的變化量。在初始相對濕度為97%時，采用通風模式10 min后，艙內含濕量降低28.62 mL，最終艙內相對濕度降低至72.5%。

圖3 工況1下相對濕度與除濕量的關系(通風模式)

圖4為艙外環(huán)境相對濕度為62%和加濕工況2下，初始相對濕度分別為95.5%、85.4%、80.4%、78%時，啟動通風模式后相對濕度B隨時間t的變化趨勢。初始相對濕度分別為95.5%、85.4%時，艙內相對濕度在快速下降之后變化趨于穩(wěn)定，在10 min時相對濕度分別降低至81.3%、78.6%；初始相對濕度分別為80.4%、78%時，艙內相對濕度則逐步上升，10 min后相對濕度升至84.9%、84.5%并趨于穩(wěn)定。

圖4 工況2下相對濕度與時間的關系(通風模式)

圖5為艙外環(huán)境相對濕度62%和加濕工況2下，初始相對濕度72.6%～97%時，啟動通風模式10 min后相對濕度的變化趨勢。在初始相對濕度97%時，采用通風模式10 min后，除濕量為37.64 mL，最終艙內相對濕度降低至81%。

圖5 工況2下相對濕度與除濕量的關系(通風模式)

圖6為艙外環(huán)境相對濕度為62%和加濕工況3下，初始相對濕度為95.5%時，啟動通風模式后相對濕度B隨時間t的變化趨勢。艙內相對濕度在短時間內快速下降后逐漸上升，并在120 min后穩(wěn)定在94.4%。

圖6 工況3下相對濕度與時間的關系(通風模式)

圖7為艙外環(huán)境相對濕度62%和加濕工況3下，初始相對濕度73%～97%時，啟動通風模式10 min后相對濕度的變化趨勢。初始相對濕度為97%時，采用通風模式10 min后，除濕量為40.53 mL，最終艙內相對濕度降低至90%。艙內存在恒定加濕源時，通風模式不能滿足其除濕需求。

圖7 工況3下相對濕度與除濕量的關系(通風模式)

通風模式在不同工況下的除濕結果統(tǒng)計見表1。結果表明，通風模式在預制艙內相對濕度調節(jié)方面具有局限性，尤其是艙內存在恒定加濕源時，通風模式不能滿足除濕需求。

表1 通風模式不同工況下的除濕結果

2.2 加熱模式分析

加熱模式是指采用正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)加熱器提高環(huán)境溫度從而降低環(huán)境空氣的相對飽和度以達到降低相對濕度的方式。

加熱模式下，相對濕度B、溫度T與時間t的關系如圖8所示。相對濕度隨著溫度的增加而逐步降低，預制艙內部環(huán)境溫度增加將使相對濕度降低。初始相對濕度為95%，啟動加熱模式，艙內相對濕度與溫度成反比，經過56 min后艙內相對濕度降至50%并趨于穩(wěn)定，此時艙內環(huán)境溫度為37.5 ℃，相較于初始溫度提高約10 ℃。在120 min時，艙內相對濕度降低至40%，溫度為41℃。加熱模式可有效降低環(huán)境的相對濕度，但僅適用于環(huán)境含濕量一定的工況。

圖8 相對濕度、溫度與時間的關系(加熱模式)

在沒有加濕源的情況下，初始相對濕度分別為95.3%、90.3%、85.5%時，啟動加熱模式后艙內相對濕度與時間的關系如圖9所示。隨著時間的增加，艙內相對濕度逐步下降，經過30 min后各工況的相對濕度分別降低至60.2%、53.3%、49.6%。

圖9 不同初始相對濕度下，相對濕度與時間的關系(加熱模式)

啟動加熱模式10 min，相對濕度和含濕量的關系如圖10所示。初始相對濕度73%～97%時，采用加熱模式，除濕量先增加后減少；當初始相對濕度為85%時，除濕量最大。由此可知，當艙內相對濕度大于85%時，加熱模式難以有效調節(jié)環(huán)境的相對濕度。

圖10 相對濕度與除濕量的關系(加熱模式)

加熱模式下的除濕結果統(tǒng)計見表2。

表2 加熱模式下的除濕結果

2.3 除濕模式分析

除濕模式中，采用基于熱電制冷技術的冷卻設備進行除濕，根據(jù)相對濕度與溫度，快速調節(jié)至露點溫度。

啟動除濕模式10 min，加濕工況1下相對濕度與除濕量的關系如圖11所示。隨著相對濕度的增加，在相同時間內熱電除濕設備的除濕量逐步增加。初始相對濕度95%時，熱電除濕設備10 min可將艙內相對濕度控制至55%以下，除濕量為41.8 mL。

圖11 工況1下相對濕度與除濕量的關系(除濕模式)

啟動除濕模式10 min，加濕工況2下相對濕度與除濕量的關系如圖12所示。初始相對濕度97%時，熱電除濕設備10 min可將艙內相對濕度降低至65%，除濕量為47 mL。

圖12 工況2下相對濕度與除濕量的關系(除濕模式)

啟動除濕模式10 min，加濕工況3下相對濕度與除濕量的關系如圖13所示。從除濕量的變化趨勢可看出，當環(huán)境相對濕度大于95%，且加濕量為3.63 mL/min時，除濕模式達額定工況，其對應除濕量為5 mL/min，相對濕度的變化量趨于一致，最終狀態(tài)的相對濕度值保持穩(wěn)定在70%。

圖13 工況3下相對濕度與除濕量的關系(除濕模式)

啟動除濕模式，加濕工況3下相對濕度與時間的關系如圖14所示。艙內相對濕度經過40 min降低至71%并趨于相對穩(wěn)定，經過120 min相對濕度達到68%。

圖14 工況3下相對濕度與時間的關系(除濕模式)

除濕模式不同工況下的除濕結果統(tǒng)計見表3。不同工況下，艙內環(huán)境相對濕度隨時間的變化關系呈現(xiàn)先快后慢的主要原因是：艙內空氣流動性弱，未能與除濕設備進行充分的能量交換。建議強化預制艙內部空氣的流動性，或提高出風口流速，有助于提升除濕效率。

表3 除濕模式不同工況下的除濕結果

2.4 分析與討論

不同相對濕度調節(jié)模式的比較見表4。通風模式與加熱模式均屬于被動除濕模式，適用于設備密封情況良好且不存在恒定加濕源的情況。綜合加熱模式、熱電除濕模式的相對濕度調節(jié)特性、單位時間除濕量和功耗等，推薦熱電除濕模式?？紤]現(xiàn)階段預制艙變電站的運行情況，艙體拼接處、線纜連接處等均存在縫隙，預制艙實際運行工況多為漏濕工況；隨著預制艙變電站內部設備的電子化及智能化，為保障電力設備的高質量可靠運行，同時滿足可應對高溫高濕和溫濕度急驟變化環(huán)境的突變情況，冷卻除濕模式將成為首選。

表4 不同相對濕度調節(jié)模式的比較

3 結束語

本文在理論分析的基礎上搭建預制艙防潮防凝露試驗平臺，比較分析基于熱電制冷技術的除濕模式、通風模式與加熱模式在預制艙防潮防凝露中的功能特點與適應性。研究表明：

a)基于熱電制冷技術的除濕模式屬于主動除濕，當艙體內部存在加濕源且相對濕度需快速控制的情況下，采用該除濕模式可以短時間內徹底降低環(huán)境相對濕度和含濕量，尤其是在有加濕源情況下，其除濕性能明顯優(yōu)于加熱模式和通風模式。

b)通風模式屬于被動模式，適用于預制艙內相對濕度高、外環(huán)境相對濕度低且相對濕度差較大的情況，在有加濕源的情況下其調節(jié)效果較弱。

c)加熱模式可以通過提高環(huán)境的溫度從而降低空氣環(huán)境的相對濕度飽和度來降低相對濕度，但環(huán)境溫度的升高會加速設備及元器件的老化。當相對濕度大于85%時，采用加熱模式降低相對濕度的能耗遠大于基于熱電制冷技術的除濕模式。

綜合能耗與設備的安全性，基于熱電制冷技術的除濕模式將成為預制艙防潮防凝露的主要有效措施。未來的研究工作包括：結合數(shù)值模擬對預制艙內的流場、溫度場分布進行分析，優(yōu)化電力設備的布置，確定除濕設備的安裝位置，實現(xiàn)高效防潮除濕。