李蔡慎1，黃爾東2，袁  成2，杜麗娜2

　?。?.上海市電力高壓實業(yè)公司，上海200063；2.國網上海電力公司檢修公司，上海200063）

　　摘  要： 在電力系統(tǒng)中，溫度及濕度對電氣設備的安全穩(wěn)定運行起到至關重要的影響，開關柜溫度、濕度過高都將引起柜內裝置的異常，如裝置告警、通信異常等。本文主要闡述采用超導熱管換熱技術實現(xiàn)內外循環(huán)相互隔開高效換熱，充分利用環(huán)境冷卻技術、隔墻散熱對各種端子箱、機構箱、二次三次設備的屏柜進行散熱、除濕、防塵的智能系統(tǒng)裝置的開發(fā)。

　　關鍵詞： 散熱；制冷除濕；超導熱管換熱技術；電氣屏柜

0 引言

　　在電力系統(tǒng)中，溫度及濕度對電氣設備的安全穩(wěn)定運行起到至關重要的影響，安裝電氣設備的房間溫度過高將引起主變、閘刀、電抗器、電容器等設備發(fā)熱；二次繼保設備、三次通訊設備屏柜溫度、濕度過高都將引起柜內裝置的異常，如裝置告警、通信異常等。例如對于敞開式設備的端子箱，在陰雨天氣或者黃梅季節(jié)，電纜溝中的積水將蒸發(fā)成水汽通過電纜孔洞進入端子箱，導致端子箱內凝露潮濕，這直接導致了端子箱內端子排的絕緣損壞，后果相當嚴重，因此如果開發(fā)出有效的祛潮系統(tǒng)應用于該類端子箱內將使得這種情況得到很大的改善。

1 電氣屏柜常用的防凝露除濕措施及存在問題

　　現(xiàn)有的溫濕度控制系統(tǒng)工作原理：

　　現(xiàn)在市場上所有溫濕度控制系統(tǒng)的傳感器幾乎都是同一種類型，即在一個陶瓷基板上印制一種高分子半導體電阻材料，引出兩端電極，當傳感器表面干燥時，分子間接觸電阻小，電極兩端電阻為1 kΩ左右；而當高分子材料吸收水分后，其內部分子空間迅速膨脹，分子間接觸電阻變大，使電極兩端的電阻率大大增加。電子控制器通過測試電阻的大小來感知或預知是否發(fā)生凝露。例如HDP—07型凝露傳感器，這是一種正特性開關型元件，它對低濕度不敏感，而對高濕度敏感，在70%～100%RH范圍內阻值變化較大。

　　這種類型傳感器有兩個固有的特性缺陷：

　?。?）在相對濕度不高時凝露傳感器有一個離散區(qū)，在這區(qū)間傳感器對相對濕度變化不敏感而且變化的阻值也不精確，其輸出特性不但與相對濕度的大小有關，與露點溫度也有直接關系。例如，有時人體感覺到空氣中濕度很大，但加熱器并沒有啟動，這是由于傳感器表面沒有達到露點溫度(也就是在傳感器表面沒有結成水珠)的緣故。

　?。?）由于凝露傳感器必須不斷地吸入或釋放水分子，傳感器受空氣中灰塵或水份中的化學物質侵蝕后會改變靈敏度，導致防凝露的控制點出現(xiàn)偏差，這時會出現(xiàn)在濕度已是很高、凝露極易發(fā)生的情況下還沒有啟動加熱器，或者加熱啟動后長期不會自動退出的現(xiàn)象，這就降低了防凝露傳感器的靈敏度和可靠性。

2 熱管與半導體復合制冷除濕裝置的設計與研發(fā)

　　2.1 裝置的組成

　　考慮采用傳感器智能化控制，用半導體制冷器除濕，用PTC熱敏陶瓷發(fā)熱器采用熱風循環(huán)升溫。

　　熱管與半導體復合制冷除濕裝置設計圖如圖1所示。其主要組成部分為：闊電壓穩(wěn)壓電源；高性能的濕度傳感器及溫度傳感器組合（以下簡稱傳感器）；控制電路；半導體制冷器；鋁合金散熱片；軸流風機；PTC熱敏陶瓷加熱器；結水合；出水管；外殼。

　　2.2 工作過程和工作原理

　　接通電源，抽濕器處在待機狀態(tài)（自動狀態(tài)）。傳感器對周圍環(huán)境溫度和相對濕度的變化進行檢測，當測得電氣柜內濕度大于設定值時, 傳感器將信號傳送至控制電路，制冷器開始制冷, 風機將電氣柜內的濕空氣吸入，吸入的濕空氣通過處于低溫的鋁合金散熱片時，空氣中含有的水分子將凝結于低溫的鋁合金散熱片上，最后凝結成水珠落入結水合，通過出水管排出電氣柜。抽濕器就通過風機吸入濕空氣排出低濕空氣。經過一段時間的循環(huán)風，使電氣柜內空氣濕度下降到標準工作條件，并使結露不能發(fā)生，使?jié)穸缺３衷谠O定值以下一定區(qū)間內。該系統(tǒng)重新處于監(jiān)控檢測狀態(tài)，如此反復實現(xiàn)自動控制。 抽濕器同時具有升溫和降溫功能, 當傳感器測得電氣柜內溫度低于設定值時, 傳感器將信號傳送至控制電路，內置PTC熱敏陶瓷加熱系統(tǒng)采用熱循環(huán)風對柜體內進行升溫，使溫度保持在一定區(qū)間內。當傳感器測得溫度高于設定值時, 傳感器將信號傳送至控制電路，控制電路內置繼電器觸點閉合輸出，通過連接外置風機對電氣柜進行降溫。

　　2.3 優(yōu)點與積極效果

　　本設計采用的高性能溫濕度傳感器配合高效半導體制冷器，可根椐電氣設備對濕度的要求設定電氣柜內的溫濕度，并有效地控制和把多余的濕度變成水排出電氣柜，提高電氣柜的使用壽命，柜體內沒有凝露水的產生，對電氣設備的安全運行提供可靠的環(huán)境保證。同時半導體制冷器的功耗小，其抽濕效果與目前采用電熱板降濕溫濕度控制器相比，對比同樣的相對濕度下降值，其功耗只有目前溫濕度控制器的20%。將節(jié)約80%電能。半導體制冷器和PTC熱敏陶瓷加熱器其使用壽命均大于4萬小時，大大高于采用金屬絲制成的電加熱板的使用壽命。

3 熱管與半導體復合制冷除濕裝置的制作

　　3.1 原型機的制造

　　首先采用熱管。熱管換熱器是換熱器的一種，是由帶翅片(散熱片)的熱管束組成的換熱器，如圖2所示。一般情況下，它有一個矩形的外殼，其內布滿了帶有翅片的熱管，在矩形殼體內部的中部有一塊隔板把殼體分成兩個部分，形成高溫流體和低溫流體的通道。當高、低溫流體同時在各自的通道中流過時，熱管就將高溫流體的熱量傳給低溫流體，實現(xiàn)了兩種流體的熱交換。因熱管換熱器結構簡單、換熱效率高，且同比其他類型的換熱器而言壓損較小，使得其越來越受到人們的推崇，在工業(yè)中應用也越來越廣泛。

　　3.2 初步測試后制作改良型裝置

　　對初型機進行測試后確認設計方案是可行的，但為了達到更明顯的降溫效果以及除濕性能，需繼續(xù)改良裝置的內部結構，如設計熱管的傾斜角度，強化導熱效果；采用電動風閥等方式。圖3所示為改良后的裝置圖。

4 熱管與半導體復合制冷除濕裝置的現(xiàn)場測試

　　完成裝置的制作后，在現(xiàn)場對設備進行了測試，通過對模擬柜的人為加熱，現(xiàn)場測試降溫及除濕效果，同時對不同的測試工況下的數(shù)據(jù)進行比較，完成最后的測試。

　　試驗環(huán)境：溫度19 ℃～20 ℃；相對濕度40%～45%RH；柜體密封度97%；試驗箱體體積：1 200 mm×600 mm×500 mm。

　　試驗內容：測試半導體制冷除濕與熱管傳熱技術，在一定環(huán)境溫度下用加熱器對測試柜內進行加溫，當溫度達到飽和后開啟熱管傳熱系統(tǒng)對柜體內溫度進行降溫。

　　試驗采用熱管傳熱系統(tǒng)的降溫功率為400 W；測試箱體內加熱系統(tǒng)功率為500 W。

　　試驗結果：

　　第一階段：9：37～10：38為加熱器加熱過程，最高溫度為52 ℃。

　　第二階段：10：38～10：39柜機中加熱器繼續(xù)工作，熱管傳熱開始工作，溫度從52 ℃降至39 ℃。

　　第三階段：10：39～11：09柜機中加熱器繼續(xù)工作，熱管傳熱繼續(xù)工作，溫度繼續(xù)從39 ℃降至35.5 ℃。

　　第四階段：11：09～11：39柜機中加熱器停止工作，熱管傳熱繼續(xù)工作，溫度從35.5 ℃降至20.5 ℃環(huán)境溫度。

　　試驗結論：

　?。?）在500 W的加熱器（測試時環(huán)境溫度為20 ℃）對測試柜體內進行長時間加熱升溫后，最高可以使柜體內溫度升至60 ℃。

　?。?）開啟熱管傳熱系統(tǒng)后，測試柜體內溫度迅速下降至39 ℃，然后緩慢降至32 ℃。

　　（3）測試柜體內與柜體外的溫度差為10 ℃。

5 結束語

　　本項目采用的高性能溫濕度傳感器配合高效半導體制冷器，可根椐電氣設備對濕度的要求設定電氣柜內的溫濕度，并有效地控制和把多余的濕度變成水排出電氣柜，提高電氣柜的使用壽命，柜體內沒有凝露水的產生，對電氣設備的安全運行提供可靠的環(huán)境保證。同時半導體制冷器的功耗小，其抽濕效果與目前溫濕度控制器采用電熱板降濕效果相比，對于同樣的相對濕度下降值，其功耗只有目前溫濕度控制器的20%，將節(jié)約80%電能。

　　由于采用分離式的內外循環(huán)導風系統(tǒng)，外循環(huán)導風系統(tǒng)可使柜體外部的灰塵與濕氣不能直接進入柜體內部。內循環(huán)導風系統(tǒng)可使柜體內部溫度均勻，發(fā)熱設備的溫度可以明顯下降，同時當柜體內部相對濕度較高時，半導體制冷系統(tǒng)通過內循環(huán)導風進行除濕。

　　該裝置的安裝將大大提高電氣屏柜中設備的運行工況，為電力設備的安全穩(wěn)定運行提供保障，具有非常重大的意義。