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發(fā)布時間：2021-07-31 10:56:15
戶外環(huán)網(wǎng)柜應(yīng)用量大，已成配電網(wǎng)的重要組成部分，其運行可靠性直接關(guān)系供電質(zhì)量與供電可靠程度。分析環(huán)網(wǎng)柜運行故障的原因可以發(fā)現(xiàn),環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)出現(xiàn)的高溫、高濕、凝露和積灰等不良環(huán)境因素，引起開關(guān)柜絕緣劣化、設(shè)備銹蝕是導致事故發(fā)生的重要原因，這些環(huán)境因素也使設(shè)備壽命降低。本文通過對環(huán)網(wǎng)柜防凝露技術(shù)研究，消除上述不良環(huán)境因素，提高環(huán)網(wǎng)柜運行可靠性。
1現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)箱防凝露技術(shù)分析
長期以來，人們通常把環(huán)網(wǎng)箱視作一個簡單的容器或附屬設(shè)備而很少給予足夠的重視，其內(nèi)部微環(huán)境控制更是一個被長期忽略的問題，導致目前戶外環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)凝露嚴重。為了改善環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)部運行環(huán)境，目前國內(nèi)采取的措施有以下幾種。
簡單密封。為了防止灰塵及昆蟲進入柜內(nèi)，對箱體采取有限的密封。但箱體密封后破壞了散熱所需的對流條件，無法流通的靜止空氣會在設(shè)備或元件表面形成滯流層，而這個滯流層相當于熱絕緣層,會對設(shè)備或元件的散熱產(chǎn)生極為不利的影響，這也是一些戶內(nèi)布置的保護屏即使在空調(diào)將室溫降得很低的情況下仍然過熱的重要原因。由于箱體密封并不嚴密，內(nèi)部空氣的熱脹冷縮會導致呼吸現(xiàn)象，特別是在沒有呼吸孔的情況下灰污極易通過縫隙隨未經(jīng)過濾的空氣無序地進入箱體并在箱體的各個部位沉積，而箱體設(shè)計又無自我凈化能力，故箱體內(nèi)存在積灰、積污的不良條件﹔灰污中含有大量金屬微顆粒、金屬氧化物及各類酸性物質(zhì)，有可能成為箱內(nèi)電氣部件銹蝕、絕緣破壞、甚至引發(fā)污閃故障的重要物質(zhì)條件。
增加通風設(shè)備。對于部分內(nèi)部存在熱源的箱柜體，現(xiàn)有的措施是在箱體的某一個面設(shè)置進出風孔或安裝小、微型風機進行通風。但由于箱體內(nèi)部設(shè)備、部件安裝的隨機性和氣流通道與空間的不確定性，使這類通風散熱方式因存在大量死角或無序紊流而難以達到預想效果，而且還會因灰塵與潮濕空氣大量進入引發(fā)更嚴重的問題。
加熱除濕。常投或間斷投入（溫控或濕控）電加熱器是目前環(huán)網(wǎng)箱普遍采用的除濕、降潮措施。其工作機理是通過加熱空氣提高空氣的濕容量（即]容納和吸收水蒸汽的能力)，從而降低相對濕度。但在現(xiàn)有的各類箱柜體中，加熱器的應(yīng)用隨意性加大，如果再加上使用過程中缺乏科學的控制方法，有時會產(chǎn)生一些適得其反的結(jié)果:首先是箱體處于封閉狀態(tài)，箱體內(nèi)空氣處相對于靜止狀態(tài)，內(nèi)部沒有空氣對流，加熱器主要通過傳導、輻射來對空氣加熱，加熱器對空氣的加熱是局部的、不均勻和不完全的,造成箱體內(nèi)部形成較大的溫度梯度和冷熱交界面,增加凝露出現(xiàn)的可能;其次是箱體內(nèi)部缺乏含濕空氣的排放、逸出通道，下部又有電纜溝源源不斷地補充水汽。于是加熱的空氣吸收了更多水分并在箱體內(nèi)滯留，加熱的溫度越高，吸收并滯留的水汽越多，一旦柜體內(nèi)空氣溫度稍有降低便迅速飽和，給空氣凝露提供了條件﹔第三是由于加熱器的使用，使得箱體內(nèi)部溫度往往高于箱體外部，在箱體內(nèi)壁處產(chǎn)生顯著的溫度差，由于箱體由導熱性能較好的金屬材料制成,其內(nèi)內(nèi)壁形成冷表面，成為凝露的另一個重要條件，于是大量的、持續(xù)的凝露過程便無可避免了，嚴重情況下箱體內(nèi)甚至還會發(fā)生局部積水現(xiàn)象。一旦箱柜體內(nèi)積灰、積污與持續(xù)的凝露兩種效應(yīng)相疊加，使箱內(nèi)發(fā)生污閃、絕緣故障的概率大大提升，將嚴重威脅電氣設(shè)備的安全運行。
由此可見，加熱器的不合理使用，其效果幾乎是得不償失的。除此以外，還有在環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)安裝小型空調(diào)器的案例。安裝小型空調(diào)器只能形成局部對流，過度降溫還會加大溫度梯度和熱場分布不均勻的程度，冷風直接吹到的地方還會形成許多冷表面，反而促進凝露，其效果是得不償失的。而且這種方式因投入高、效率低、能耗大、費效比差而難以被市場所接受。
2防止凝露發(fā)生的措施
2.1凝露的產(chǎn)生
平常所論述的空氣是由干空氣和水蒸汽組成的濕空氣。水的存在形態(tài)主要取決于溫度和壓力，溫度增加或壓力降低，液態(tài)水將呈逐漸往氣態(tài)轉(zhuǎn)變,反之，當溫度下降或壓力增加，氣態(tài)水將向液態(tài)轉(zhuǎn)變。因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，凝露實際上就是空氣中的水份由汽態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的結(jié)果。當濕空氣接觸的物體表面溫度低于該空氣的溫度時，空氣將熱量傳遞給所接觸的物體，空氣溫度下降，同時其水的分壓力上升，物體表面溫度升高，但兩者升高速率不同，通常空氣熱容量低，降溫速度大于固體物體吸熱后的升溫速度。當空氣溫度降至水蒸汽分壓力下水的沸點溫度時，水蒸汽將從空氣中以液態(tài)形式析出，在物體表面形成凝露。
通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，形成空氣凝露的條件是濕空氣（水分)、物體與空氣的溫差，如果兩個條件都不滿足時就不會出現(xiàn)凝露。
2.2阻止環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)二次艙和電纜艙凝露產(chǎn)生
有效控制箱柜外熱濕空氣進入。通過對箱柜外空氣的溫濕度進行監(jiān)測，當箱柜外的濕空氣含濕量(相對濕度）升高時，應(yīng)逐步減少箱柜外空氣的進入量，直至關(guān)閉室外進風。為了實現(xiàn)有效控制，必須將傳統(tǒng)的自然進風改為有組織的機械進風，通過對機械進風裝置的控制實現(xiàn)對進風量的控制。
控制溫差。控制箱柜內(nèi)與箱柜外、柜內(nèi)與二次室內(nèi)的溫差:環(huán)網(wǎng)箱柜安裝于露天，由于外界環(huán)境溫度、濕度變化對其運行會帶來許多不利影響，尤其是外界溫度突變時（如冬季出現(xiàn)的寒潮時）柜體溫度急劇變化，低于柜內(nèi)表面空氣中水汽分壓力對應(yīng)的沸點溫度時，空氣中的水汽就變成水滴在析出,形成凝露。為了減少外界的影響，控制箱柜內(nèi)與箱柜外的溫差，減少凝露發(fā)生，最直接的辦法就是將箱柜外的空氣送入箱柜內(nèi)，將箱柜內(nèi)的空氣排出，減小箱柜內(nèi)外的溫差﹔控制箱柜內(nèi)與電纜溝、柜內(nèi)與電纜室的溫差:控制箱柜內(nèi)空氣與電纜溝內(nèi)的溫差，減少電纜室凝露發(fā)生，最直接的辦法就是將二者的空氣進行有效的混合。箱柜內(nèi)頂部的空氣溫度要高于箱柜內(nèi)下部的溫度，因此將箱柜內(nèi)頂部溫度相對較高的空氣通過通風設(shè)備送入電纜溝內(nèi)，與電纜溝內(nèi)的空氣混合后，空氣溫度升高，相對濕度下降，并通過排風口再次排入箱柜內(nèi)，保持電纜溝干燥的同時也使箱柜內(nèi)的空氣溫度更趨均勻。
3工程解決方案
基于上述分析結(jié)果，提出的系統(tǒng)方案如圖1所示。
3.1系統(tǒng)設(shè)計思路
將箱外新風根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和箱內(nèi)溫、濕度控制要求，經(jīng)微環(huán)境控制裝置(具有過濾、加壓、分配、降噪等功能）處理加壓后，送入環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)，通過進風射流與熱羽流的耦合及誘導，左右輪流送風，利用其良好的擴散性和彌漫特性，消除箱柜體內(nèi)的通風死角，改善流場和溫場分布，使箱外、箱內(nèi)、柜內(nèi)溫度都能達到均衡。根據(jù)電纜溝內(nèi)與箱內(nèi)的溫差，系統(tǒng)將箱內(nèi)空氣送人溝內(nèi)，使溝內(nèi)的空氣溫度得到提升，降低了溝內(nèi)空氣濕度﹔源源不斷送入的空氣使電纜溝的壓力上升，通過在電纜溝與環(huán)網(wǎng)箱開設(shè)的回風口進入環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)，相較于送入電纜溝的空氣溫度得到降低，與環(huán)網(wǎng)箱下部空氣混合后，使環(huán)網(wǎng)箱下部區(qū)域空氣溫度趨于均勻。隨著運行時間的延長，環(huán)網(wǎng)箱上部空氣狀態(tài)參數(shù)超過設(shè)定值時，系統(tǒng)自動調(diào)整內(nèi)循環(huán)和新風比例，將上部高溫的熱濕空氣溢出箱外。實現(xiàn)了箱內(nèi)與電纜溝內(nèi)整體的溫度均勻、降低箱內(nèi)溫度梯度，同時也降低系統(tǒng)運行能耗。
3.2控制方式
控制方式中所涉及到的具體控制數(shù)據(jù)都為可設(shè)參數(shù)。
環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)與開關(guān)柜外部凝露積水控制:第一要控制溫差。當環(huán)網(wǎng)柜箱頂部溫度高于環(huán)網(wǎng)箱外部溫度且環(huán)網(wǎng)柜箱頂部溫度超過25℃時風機1開啟，系統(tǒng)根據(jù)溫度自動調(diào)節(jié)風機開啟時間，然后開啟風機2同風機1。若環(huán)網(wǎng)箱外部濕度低于85%時，進風口打開、回風閥關(guān)閉，風機開啟時為外進風模式，將環(huán)網(wǎng)箱頂部熱空氣排出，減小環(huán)網(wǎng)箱和開關(guān)柜內(nèi)外的溫差，破壞環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)壁與開關(guān)柜外部凝露條件。如果環(huán)網(wǎng)柜箱頂部溫度一直低于25℃時，系統(tǒng)定時2小時開啟一次風機，外進風運行一個周期，使環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)外溫度平衡;第二要控制室外熱濕空氣進入。當環(huán)網(wǎng)箱外部濕度高于85%或者溫度高于環(huán)網(wǎng)柜箱頂部溫度時，進風口( 3.1）關(guān)閉，回風閥打開，風機開啟內(nèi)循環(huán)模式，防止室外高溫高濕空氣進入箱內(nèi)，從而破壞環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)與開關(guān)柜外部凝露條件，同時減小環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)上下溫差。
二次室防凝露控制:第一要控制溫差。當環(huán)網(wǎng)柜箱頂部溫度超過25℃或環(huán)網(wǎng)柜頂部溫度和開關(guān)柜頂面溫度溫差超2℃時風機1開啟，系統(tǒng)根據(jù)溫度自動調(diào)節(jié)風機開啟時間，然后開啟風機2同風機1，左右交替送風。若環(huán)網(wǎng)箱外部溫度低于環(huán)網(wǎng)柜箱頂部溫度并且環(huán)網(wǎng)箱外部濕度低于85%時，進風口打開、回風閥關(guān)閉，風機開啟時為外進風模式，將環(huán)網(wǎng)箱頂部熱空氣排出，減小環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)外的溫差，同時減少了外界對二次艙的影響，從而也減小了環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)與二次室內(nèi)的溫差，破壞二次室凝露條件。當環(huán)網(wǎng)柜箱頂部溫度超過45℃時，同時開啟風機1和風機2，周期性開啟，快速將環(huán)網(wǎng)箱頂部熱空氣排出，直到環(huán)網(wǎng)柜箱頂部溫度低于42℃時退出該模式;第二要控制室外熱濕空氣進入。當環(huán)網(wǎng)箱外部濕度高于85%或溫度高于環(huán)網(wǎng)柜箱頂部溫度時，進風口關(guān)閉、回風閥打開，風機開啟內(nèi)循環(huán)模式，防止室外高溫高濕空氣進入箱內(nèi)破壞二次室凝露條件，同時減小環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)上下溫差。
電纜室防凝露控制:第一要控制溫差。當電纜溝內(nèi)溫度低于開關(guān)柜下部溫度1℃時，開啟下風道風機，提高電纜溝溫度，使電纜溝內(nèi)溫度與開關(guān)柜下部溫度平衡。當電纜溝內(nèi)濕度低于85%時箱底回風閥打開，電纜溝內(nèi)空氣進入環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)部，如果此時進風口是打開狀態(tài)，可以排除環(huán)網(wǎng)箱頂部高溫空氣。如果此時進風口是關(guān)閉狀態(tài)，可將環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)空氣與電纜溝內(nèi)空氣綜合，使環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)部和電纜溝內(nèi)部溫度平衡﹔第二要控制電纜溝內(nèi)濕度。當電纜溝內(nèi)濕度超過90%時開啟下風道風機，打開進風口，關(guān)閉箱底回風閥，將電纜溝內(nèi)高濕空氣從箱底旁路排風口排出，直到電纜溝濕度低于85%，恢復正常模式。
4實際運行效果
基于上述設(shè)計思路，將風機、循環(huán)窗等設(shè)備與溫濕度傳感器集成在一個智能系統(tǒng)平臺，并固化在微環(huán)境控制裝置上。通過監(jiān)測環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)、箱外和電纜溝的狀態(tài)參數(shù)，自動調(diào)整新風（箱外進風)、回風(環(huán)網(wǎng)箱中部區(qū)域空氣）和排風（環(huán)網(wǎng)箱頂部的熱濕空氣）的風量，從而阻止箱外大量熱濕空氣的侵入，保持箱內(nèi)干燥，溫度均勻，徹底杜絕凝露的發(fā)生。
為檢驗上述方案的實際運行效果，在福州象山站安裝了一套上述微環(huán)境控制裝置（圖2)。為便于對比，在福州福飛路1號站安裝了環(huán)境監(jiān)控裝置，檢測柜內(nèi)環(huán)境參數(shù)。兩個環(huán)網(wǎng)站在同一天中，柜內(nèi)相同位置處最高溫濕度對比結(jié)果（表1）表明，安裝微環(huán)境控制裝置后，通過系統(tǒng)自動調(diào)控風機運行的時間，降低環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)空氣溫度，可促進箱內(nèi)和電纜溝內(nèi)的溫濕度趨于均衡，減少電纜溝內(nèi)潮濕空氣通過電纜接線孔進人開關(guān)柜，從而防止開關(guān)柜內(nèi)電氣元件表面的閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生。系統(tǒng)運行后二次艙和電纜艙凝露完全消除。
5結(jié)語
根據(jù)對凝露機理的分析，分析總結(jié)出戶外環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)產(chǎn)生凝露的主要因素是外部潮濕空氣的進入和箱內(nèi)空氣與柜體壁面形成的溫差。從防止潮濕進入和消除溫差的兩個方面提出了防止箱內(nèi)凝露的主要措施,并提出了采用以微環(huán)境控制裝置為核心，結(jié)合溫濕度傳感器、控制風閥、空氣處理設(shè)備等構(gòu)建智能控制系統(tǒng)，形成環(huán)網(wǎng)箱微環(huán)境控制系統(tǒng)。通過在工程中的應(yīng)用，表明該系統(tǒng)可以有效地控制環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)的溫度和濕度參數(shù)，消除凝露產(chǎn)生的因素，降低環(huán)網(wǎng)箱因凝露發(fā)生故障的風險，微環(huán)境控制系統(tǒng)運行能耗顯著下降，電氣設(shè)備運行環(huán)境得到有效改善，維護工作量顯著降低，環(huán)境控制的智能化水平得到提高。
