箱變凝露模擬實驗及處理措施研究

何頌民

摘 要： 目前箱變內凝露的情況，以美變居多，美變內凝露比較嚴重，在南方一些山區(qū)風電場，經(jīng)常存在凝露，多集中于小室內側頂蓋和壁板。凝露現(xiàn)象多次引發(fā)設備二次設備故障以及斷路器誤動或拒動等問題，對于電網(wǎng)安全運行造成較大的影響。為解決箱變凝露問題，開展了凝露相關的模擬試驗，分析了凝露發(fā)生的規(guī)律，并根據(jù)這些規(guī)律制定了措施方案。

關鍵詞： 箱式變電站；模擬實驗；凝露原因；措施方案

1.箱變凝露模擬試驗

1.1 試驗相關說明

首先由倉庫提供一臺美變，并放置在試驗站，在箱變高壓室內布置了加濕器、加熱器、溫濕度控制器和抽濕機等設備，隨后將門關閉，形成一個相對封閉并且無人干預的空間。通過遙控設備啟停，調整柜內的濕度，來觀察各設備的運行狀況，觀察溫濕度的變化。本試驗分兩個階段，第一個對象是一臺有封閉外殼的美變。第二個試驗對象是一個封閉的塑料倉搭建的實驗艙。相關的試驗歷經(jīng)14天，從開始調試完成，中間有一次轉場。共有大8個場景的試驗，其中包括兩個低溫凝露試驗。

1.2抽濕機調節(jié)濕度實驗

本試驗試圖驗證簡易抽濕機在調節(jié)濕度方面的具體作用，試驗中開啟了簡易抽濕機進行抽濕，簡易抽濕機功率約24W。實驗數(shù)據(jù)表明，加濕前，空間含水率為23.555克/m3，加濕后，空間含水率增加到26.136克/m3，經(jīng)過353分鐘抽濕，空間含水量下降到23.002克/m3，抽濕速度約0.107克/分鐘，濕度下降到73.4%之后，空間含水量反而不降反升，有一定除濕效果，但是效果不明顯，初始狀態(tài)抽濕效率高，之后一路下降，最后不抽不出水來。設備失效。后改為抽濕王CG2010進行濕度調節(jié)，抽濕王的功率約60W，是抽濕機的兩倍多，理論上抽濕速度應比較快。通過試驗數(shù)據(jù)分析：抽濕王初始抽濕效率較高，抽濕機全程運行16個小時多，在前590分鐘，抽濕的速度可以達到0.1g/分鐘，但是之后，基本抽不出水來，而設備關機時，空間濕度為69.9%，離設定的目標值60%相去甚遠，空間含水量在設備運行757分鐘后降反升，設備已經(jīng)無法再有效調節(jié)濕度了。設備失效。

1.3 溫濕度控制器及加熱板濕度調節(jié)實驗

本試驗使用溫濕度控制器WSK-HJB控制加熱板（435W）來調節(jié)濕度，如表1所示。表1右側為箱變外溫濕度，根據(jù)溫濕度控制策略，在80%濕度以上時，加熱器不啟動，因溫濕度控制器傳感器溫度線松脫開路，導致加熱器在上電以后一直運行，因此可以看到上述運行結果。可以看出，最初，下午室外空氣溫度高于室內空間，加熱器運行起來后溫度迅速提升并反超戶外溫度，最終保持溫差在4.4℃左右，其最初56分鐘溫度提升速度為0.046℃/分鐘。在其后冷卻的6小時內，溫差最終保持在1.7℃。此試驗可以看出溫濕度控制器的加熱能力。但實驗數(shù)據(jù)表明，當空氣含水量大致不變時，其控制濕度的能力與外部受外部溫度的影響非常大，外部越冷，其濕度調節(jié)能力越差，從19：43開始，濕度不降反升，因為外部空氣變冷，內部空氣無法維持高溫，低濕度也無法繼續(xù)維持。根據(jù)這個溫差效應，可以維持一個相對外部空間較合理的濕度，但是需要合理計算溫差值，并合理擺放濕度傳感器位置。

后改用PTC加熱板（600W）來調節(jié)濕度，根據(jù)溫濕度控制策略，通過加熱內部空氣溫度，降低相對濕度。試驗時，室外空氣溫度高于室內空間，加熱器運行起來后溫度迅速提升，在150分鐘內其溫度提升7.8℃，提升速度為0.052℃/分鐘，在加熱的頭59分鐘內，升溫速度為0.089℃/分鐘。實驗數(shù)據(jù)表明PTC加熱板因其功率大，風冷散熱強，加熱的效率非常高。

1.4 模擬低溫艙室凝露實驗

由于環(huán)境溫度太高，平均室溫高于30℃，已經(jīng)不能代表箱變典型的運行環(huán)境，特別是能產(chǎn)生凝露的環(huán)境。因此考慮將相關設備移入低溫艙室進行試驗。隨后搭建一個低溫艙室，擬在低溫艙室中模擬設備的低溫運行條件，觀察封閉空間中溫濕度的變化規(guī)律，并觀察凝露發(fā)生的環(huán)境節(jié)點。為了制造凝露所需要的低溫環(huán)境。選擇在一個較封閉的場所，將一臺立式空調用一塊封閉的塑料布封起來，塑料布尺寸為4.6x2.5x2.5米（寬x深x高），形成一個低溫艙室，然后在低溫艙室中再打一個封閉的塑料布空間，該塑料布空間尺寸為2.2x1.5x1.5米（寬x深x高），模擬一個內部的空間4.95m3的實驗艙室，通過降低小室外部空氣的溫度（低于16℃），來形成以個適于凝露的環(huán)境。如圖2所示?，F(xiàn)場依然布置若干溫度傳感器、溫濕度傳感器，并裝設可以遠程報警的煙霧報警器。避免極端情況下發(fā)生火災。實際運行時采取更保守的措施，即無人看護時關閉全部的執(zhí)行設備。

得益于低溫艙室的搭建，實驗中可以清楚的看到凝露的情況，并能大致確認凝露發(fā)生的溫度。實驗中，試驗艙頂部空氣溫濕度，離空調出風口約1.5米，11：00之后，試驗艙外離空調出風口約2.5米的背風位置溫濕度開始降溫，在大約11：33記錄到凝露大面積在試驗艙內表面發(fā)生，試驗艙局部冷空氣溫度大約19.6攝氏度，在試驗艙頂部的鋼板內側，探測到22攝氏度溫度。根據(jù)試驗初始條件，試驗開始前試驗艙內空氣含水量大約19.57g/m3，22.2攝氏度飽和濕空氣含水量為19.62g/m3，也就是說，如果空氣溫度突然降低到22.2℃，水蒸氣應該開始凝露，實際情況是在該溫度下凝露確實已經(jīng)發(fā)生，空氣含水量降低至15.91g/m3，在試驗艙內側塑料布上形成大量細露珠，凝露是個動態(tài)過程，沒有驟然發(fā)生。預期鋼板上會出現(xiàn)凝露，實際沒有出現(xiàn)，原因是凝露已經(jīng)在其他部位形成，厚度較小的薄膜表面溫度要低于鋼鐵表面溫度，空間含水量15.91g/m3不足以在鋼板表面形成凝露條件（溫度低于18.6℃）。此后12：00開始，關閉空調，試驗艙內部溫度一路上升，已經(jīng)凝露的水也揮發(fā)，空氣含水量上升，直到再次降溫，濕度也再次下降。在15：00～19：00之間啟動了抽濕王進行除濕，前后運行4小時。此后濕度一路下降，但是根據(jù)觀測的結果，空間含水量從22.47下降到9.29g/m3，根據(jù)計算，約有65.241g水以凝露型式析出，而抽濕王也是利用凝露原理析出水，實際觀察抽濕機凝露出水不足10g。因此，低溫倉受外部環(huán)境影響導致水蒸氣凝露析出，進而降低空間濕度。在低溫情況下，空間內部濕度受外部低溫影響比較嚴重。另外，因為抽濕王附近氣溫一直高于15℃，沒有出現(xiàn)冷凝板結霜的情況[3]。

隨后繼續(xù)實驗，早上7：53-8：13進行了加濕處理，濕度加到84.4%，空間含水量一度高達12.81g/m3，隨著周圍空氣溫度的持續(xù)降低，低溫艙內部濕度也自行降低，一度低至57.5%，接近不少抽濕機的抽濕極限。說明在室內外溫差比較大時，設備空間會通過在低溫壁板上凝露降低空間濕度，這個過程是自動發(fā)生，沒有外部干預，而且，會保持空間比較好的濕度，即低于80%。。分析可知，在無內部設備干預的情況下，濕度緩慢下降的過程，這個過程是低溫自然作用的結果。

2.實驗結果分析

經(jīng)過多次實驗，實驗分析如下：

（1）封閉空間內含水量不變時，溫度上升，濕度下降，反之溫度下降，濕度上升。

（2）封閉空間內可以使用抽濕機進行抽濕，但是，抽濕機的效果可能因環(huán)境條件變化而失效，比如極限抽濕能力可能抽不到60%，另外抽濕機的抽濕速度普遍很低，難以持久高效抽濕。

（3）使用溫濕度控制器配加熱器可以有效調節(jié)空間內的濕度，但是針對封閉空間，加熱器調節(jié)濕度的能力受外部溫度影響較大。一般，400W的加熱器可以將13立方米小室空間溫度升高4.4℃，600W加熱器可以將該空間溫度提高7.8℃。在外部環(huán)境的約束下，加熱器只能控制溫度差，而濕度是空氣含水量和溫度工作約束的參數(shù)，加熱器不能控制溫度，存在局限性。此外加熱器最大的優(yōu)勢是加熱速度非常快，可以迅速降低空間內的濕度，但是隨著外部空氣溫度的降低，這種濕度是不能保持的。晝夜溫差較大的情況下，這個控制策略會失效，溫濕度控制器的傳感器探頭安裝位置非常關鍵，考慮到柜內不同位置溫度差很大，這個問題需要重點考慮。控制點不一樣，控制結果差別非常大，即便是在同一空間[4]。

（4）在低溫艙室中，外部溫度較低時，可以迅速影響艙室內的環(huán)境，溫差足夠大時，可以促成艙室內表面形成凝露，并降低低溫艙室內的濕度，凝露一般發(fā)生在與低溫空氣接觸緊密的地方。而內部空間因溫度一般高于外部空間，空間內形成凝露的概率低。

（5）采用半導體制冷片的抽濕機在15度以上的溫度下可以使用，但是低溫時，抽濕效率非常低，對內部空間濕度的調節(jié)即慢又不明顯。

3.箱變防凝露措施方案

目前常見的防凝露設計一般有以下五種方案：

（1）方案一，在非封閉空間中，配置通風窗和加熱器。

（2）方案二，在非封閉空間中，配置通風窗不配置加熱器。

（3）方案三，在封閉空間中，配置加熱器。

（4）方案四，在封閉空間中，配置抽濕機。

（5）方案五，在封閉空間中，不配置專用的防凝露設備。

在箱變殼體中，一般采用復合板和鋼板。就隔熱性能來說，復合板隔熱效果較好，鋼板隔熱性能較差。目前箱變內凝露的情況，以美變居多，美變內凝露比較嚴重，在南方一些山區(qū)風電場，經(jīng)常存在凝露，多集中于小室內側頂蓋和壁板。

參考文獻

[1]朱世民，蔣志軍.淺談變電站端子箱凝露結霜的危害和防治[J]. 科技創(chuàng)新與應用， 2015（33）：210-210.

[2]洪峰， 陳眾， 李靜漪，等. 城市箱式變電站的防凝露措施[J]. 浙江電力， 2013（9）：67-69.

[3]丁永生， 方蘇， 彭歡英. 箱式變電站用隔熱及防凝露外箱裝置：， CN203218752U[P]. 2013.

[4]姜毅， 周成華， 郭俊峰，等. 智能端子箱防凝露控制器的研制與試驗研究[J]. 高壓電器， 2010， 46（8）：59-62.