李蔡慎1，黃爾東2，袁  成2，杜麗娜2

　?。?.上海市電力高壓實(shí)業(yè)公司，上海200063；2.國(guó)網(wǎng)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(duì)電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的影響，開關(guān)柜溫度、濕度過高都將引起柜內(nèi)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(dǎo)熱管換熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外循環(huán)相互隔開高效換熱，充分利用環(huán)境冷卻技術(shù)、隔墻散熱對(duì)各種端子箱、機(jī)構(gòu)箱、二次三次設(shè)備的屏柜進(jìn)行散熱、除濕、防塵的智能系統(tǒng)裝置的開發(fā)。

　　關(guān)鍵詞： 散熱；制冷除濕；超導(dǎo)熱管換熱技術(shù)；電氣屏柜

0 引言

　　在電力系統(tǒng)中，溫度及濕度對(duì)電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的影響，安裝電氣設(shè)備的房間溫度過高將引起主變、閘刀、電抗器、電容器等設(shè)備發(fā)熱；二次繼保設(shè)備、三次通訊設(shè)備屏柜溫度、濕度過高都將引起柜內(nèi)裝置的異常，如裝置告警、通信異常等。例如對(duì)于敞開式設(shè)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(jìn)入端子箱，導(dǎo)致端子箱內(nèi)凝露潮濕，這直接導(dǎo)致了端子箱內(nèi)端子排的絕緣損壞，后果相當(dāng)嚴(yán)重，因此如果開發(fā)出有效的祛潮系統(tǒng)應(yīng)用于該類端子箱內(nèi)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(chǎng)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(gè)陶瓷基板上印制一種高分子半導(dǎo)體電阻材料，引出兩端電極，當(dāng)傳感器表面干燥時(shí)，分子間接觸電阻小，電極兩端電阻為1 kΩ左右；而當(dāng)高分子材料吸收水分后，其內(nèi)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(cè)試電阻的大小來感知或預(yù)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(guān)型元件，它對(duì)低濕度不敏感，而對(duì)高濕度敏感，在70%～100%RH范圍內(nèi)阻值變化較大。

　　這種類型傳感器有兩個(gè)固有的特性缺陷：

　?。?）在相對(duì)濕度不高時(shí)凝露傳感器有一個(gè)離散區(qū)，在這區(qū)間傳感器對(duì)相對(duì)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(duì)濕度的大小有關(guān)，與露點(diǎn)溫度也有直接關(guān)系。例如，有時(shí)人體感覺到空氣中濕度很大，但加熱器并沒有啟動(dòng)，這是由于傳感器表面沒有達(dá)到露點(diǎn)溫度(也就是在傳感器表面沒有結(jié)成水珠)的緣故。

　　（2）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(xué)物質(zhì)侵蝕后會(huì)改變靈敏度，導(dǎo)致防凝露的控制點(diǎn)出現(xiàn)偏差，這時(shí)會(huì)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(dòng)加熱器，或者加熱啟動(dòng)后長(zhǎng)期不會(huì)自動(dòng)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(dǎo)體復(fù)合制冷除濕裝置的設(shè)計(jì)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(dǎo)體制冷器除濕，用PTC熱敏陶瓷發(fā)熱器采用熱風(fēng)循環(huán)升溫。

　　熱管與半導(dǎo)體復(fù)合制冷除濕裝置設(shè)計(jì)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(jiǎn)稱傳感器）；控制電路；半導(dǎo)體制冷器；鋁合金散熱片；軸流風(fēng)機(jī)；PTC熱敏陶瓷加熱器；結(jié)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(jī)狀態(tài)（自動(dòng)狀態(tài)）。傳感器對(duì)周圍環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的變化進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)測(cè)得電氣柜內(nèi)濕度大于設(shè)定值時(shí), 傳感器將信號(hào)傳送至控制電路，制冷器開始制冷, 風(fēng)機(jī)將電氣柜內(nèi)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(shí)，空氣中含有的水分子將凝結(jié)于低溫的鋁合金散熱片上，最后凝結(jié)成水珠落入結(jié)水合，通過出水管排出電氣柜。抽濕器就通過風(fēng)機(jī)吸入濕空氣排出低濕空氣。經(jīng)過一段時(shí)間的循環(huán)風(fēng)，使電氣柜內(nèi)空氣濕度下降到標(biāo)準(zhǔn)工作條件，并使結(jié)露不能發(fā)生，使?jié)穸缺３衷谠O(shè)定值以下一定區(qū)間內(nèi)。該系統(tǒng)重新處于監(jiān)控檢測(cè)狀態(tài)，如此反復(fù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 抽濕器同時(shí)具有升溫和降溫功能, 當(dāng)傳感器測(cè)得電氣柜內(nèi)溫度低于設(shè)定值時(shí), 傳感器將信號(hào)傳送至控制電路，內(nèi)置PTC熱敏陶瓷加熱系統(tǒng)采用熱循環(huán)風(fēng)對(duì)柜體內(nèi)進(jìn)行升溫，使溫度保持在一定區(qū)間內(nèi)。當(dāng)傳感器測(cè)得溫度高于設(shè)定值時(shí), 傳感器將信號(hào)傳送至控制電路，控制電路內(nèi)置繼電器觸點(diǎn)閉合輸出，通過連接外置風(fēng)機(jī)對(duì)電氣柜進(jìn)行降溫。

　　2.3 優(yōu)點(diǎn)與積極效果

　　本設(shè)計(jì)采用的高性能溫濕度傳感器配合高效半導(dǎo)體制冷器，可根椐電氣設(shè)備對(duì)濕度的要求設(shè)定電氣柜內(nèi)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(nèi)沒有凝露水的產(chǎn)生，對(duì)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行提供可靠的環(huán)境保證。同時(shí)半導(dǎo)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(duì)比同樣的相對(duì)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(dǎo)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(shí)，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(dǎo)體復(fù)合制冷除濕裝置的制作

　　3.1 原型機(jī)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(gè)矩形的外殼，其內(nèi)布滿了帶有翅片的熱管，在矩形殼體內(nèi)部的中部有一塊隔板把殼體分成兩個(gè)部分，形成高溫流體和低溫流體的通道。當(dāng)高、低溫流體同時(shí)在各自的通道中流過時(shí)，熱管就將高溫流體的熱量傳給低溫流體，實(shí)現(xiàn)了兩種流體的熱交換。因熱管換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用也越來越廣泛。

　　3.2 初步測(cè)試后制作改良型裝置

　　對(duì)初型機(jī)進(jìn)行測(cè)試后確認(rèn)設(shè)計(jì)方案是可行的，但為了達(dá)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，如設(shè)計(jì)熱管的傾斜角度，強(qiáng)化導(dǎo)熱效果；采用電動(dòng)風(fēng)閥等方式。圖3所示為改良后的裝置圖。

4 熱管與半導(dǎo)體復(fù)合制冷除濕裝置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

　　完成裝置的制作后，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試，通過對(duì)模擬柜的人為加熱，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試降溫及除濕效果，同時(shí)對(duì)不同的測(cè)試工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，完成最后的測(cè)試。

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

　　試驗(yàn)內(nèi)容：測(cè)試半導(dǎo)體制冷除濕與熱管傳熱技術(shù)，在一定環(huán)境溫度下用加熱器對(duì)測(cè)試柜內(nèi)進(jìn)行加溫，當(dāng)溫度達(dá)到飽和后開啟熱管傳熱系統(tǒng)對(duì)柜體內(nèi)溫度進(jìn)行降溫。

　　試驗(yàn)采用熱管傳熱系統(tǒng)的降溫功率為400 W；測(cè)試箱體內(nèi)加熱系統(tǒng)功率為500 W。

　　試驗(yàn)結(jié)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(jī)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(jī)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(jī)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(yàn)結(jié)論：

　?。?）在500 W的加熱器（測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為20 ℃）對(duì)測(cè)試柜體內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱升溫后，最高可以使柜體內(nèi)溫度升至60 ℃。

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

　?。?）測(cè)試柜體內(nèi)與柜體外的溫度差為10 ℃。

5 結(jié)束語

　　本項(xiàng)目采用的高性能溫濕度傳感器配合高效半導(dǎo)體制冷器，可根椐電氣設(shè)備對(duì)濕度的要求設(shè)定電氣柜內(nèi)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(nèi)沒有凝露水的產(chǎn)生，對(duì)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行提供可靠的環(huán)境保證。同時(shí)半導(dǎo)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(duì)于同樣的相對(duì)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(nèi)外循環(huán)導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)，外循環(huán)導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)可使柜體外部的灰塵與濕氣不能直接進(jìn)入柜體內(nèi)部。內(nèi)循環(huán)導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)可使柜體內(nèi)部溫度均勻，發(fā)熱設(shè)備的溫度可以明顯下降，同時(shí)當(dāng)柜體內(nèi)部相對(duì)濕度較高時(shí)，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)通過內(nèi)循環(huán)導(dǎo)風(fēng)進(jìn)行除濕。

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