高山地區(qū)戶外端子箱的環(huán)境控制及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

盧培成

（廣西卓潔電力工程檢修有限公司，廣西 南寧 530000）

1 項(xiàng)目研究背景

戶外端子箱是電氣設(shè)備與室內(nèi)測(cè)控、保護(hù)以及通信等設(shè)備連接的中間節(jié)點(diǎn)。高山地區(qū)高寒高濕的特點(diǎn)導(dǎo)致戶外端子箱內(nèi)部潮濕凝露，二次電纜霉變等導(dǎo)致直流對(duì)地絕緣下降，嚴(yán)重時(shí)將形成直流正電源或負(fù)電源接地引起保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)，威脅設(shè)備安全。端子排螺絲和連接片受潮生銹，使得二次端子接觸不良甚至開(kāi)路，造成測(cè)控和保護(hù)裝置運(yùn)行異常，誤發(fā)信號(hào)，導(dǎo)致運(yùn)維人員做出錯(cuò)誤分析[1]。因此，戶外端子箱設(shè)備防潮十分重要。結(jié)合高山地區(qū)環(huán)境濕度較大、運(yùn)維人員較少以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備防潮能力落后的現(xiàn)狀，本項(xiàng)目致力于研制除濕能力強(qiáng)且能集中監(jiān)測(cè)的端子箱防潮設(shè)備，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 戶外端子箱防潮存在的問(wèn)題

變電站端子箱長(zhǎng)期置于室外，部分柜體存在封堵不嚴(yán)和密封膠條老化等問(wèn)題。潮濕空氣進(jìn)入箱體，為防止產(chǎn)生內(nèi)部凝露，可在端子箱內(nèi)裝設(shè)溫濕度控制器。當(dāng)箱體內(nèi)部溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，控制器自動(dòng)啟動(dòng)加熱器進(jìn)行加熱，通過(guò)提高箱體內(nèi)部溫度破壞凝露環(huán)境。當(dāng)箱體內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，加熱器自動(dòng)停止加熱。該方式受使用加熱器壽命等因素影響，箱體加熱后水氣仍存在于箱體中。溫濕度控制器及加熱器故障無(wú)法投入使用后，水汽又會(huì)凝結(jié)，如圖1所示，設(shè)備運(yùn)行仍存在隱患。

圖1 水汽凝結(jié)

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，大型變電站戶外端子箱數(shù)量甚至達(dá)到上百個(gè)，兩人開(kāi)展全站戶外端子箱和機(jī)構(gòu)箱防潮巡檢將耗費(fèi)2～3 h，設(shè)備運(yùn)維工作量及難度不斷加大。

3 半導(dǎo)體制冷技術(shù)

鑒于加熱空氣無(wú)法降低空氣含水量，而氣溫稍加變化，加熱后的濕熱空氣遇冷易產(chǎn)生凝露的缺陷，項(xiàng)目研究后決定采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)解決該問(wèn)題，原理如圖2所示。

圖2 半導(dǎo)體制冷原理圖

在P、N半導(dǎo)體電流回路中，P型半導(dǎo)體在電場(chǎng)作用下,通過(guò)吸收外部熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)a處空穴的能級(jí)躍遷，進(jìn)而形成P型半導(dǎo)體的定向流動(dòng)，而b處空穴則正好相反，N型半導(dǎo)體c和d處情況相反[2]。由于一對(duì)半導(dǎo)體熱電偶對(duì)吸熱量荷限，因此需要由多對(duì)熱電偶的串并聯(lián)來(lái)形成半導(dǎo)體的制冷電堆，從而使半導(dǎo)體獲得大量的制冷量。

4 內(nèi)置式防凝露裝置

SPR-NL-Ⅱ型防凝露裝置是針對(duì)電氣柜除濕并預(yù)防凝露現(xiàn)象而專門研制的高新技術(shù)產(chǎn)品，其安裝應(yīng)用如圖3所示。采用半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)，通過(guò)人為制造局部冷卻點(diǎn)，使?jié)駸峥諝庠谥评涮幠Y(jié)并通過(guò)專用管道排出，以降低空氣的濕度[3]。同時(shí)利用裝置工作時(shí)自身產(chǎn)生的熱量及輔助加熱裝置重新加熱冷卻空氣，保證箱體內(nèi)空氣的溫度不降低。通過(guò)如此循環(huán)可大幅提高空氣干燥度，真正形成箱體內(nèi)的干燥環(huán)境。裝置安裝在電氣控制柜內(nèi)部，與傳統(tǒng)加熱除濕相比具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、可靠性高、節(jié)能環(huán)保、組裝簡(jiǎn)單以及便于控制等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 防凝露裝置的安裝應(yīng)用

5 電容式溫濕度傳感器

隨著對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性及精確性的要求越來(lái)越高，電子式傳感器逐漸取代原有的機(jī)械式傳感器，主要分為電阻式和電容式兩種。相比于電阻式，電容式的精準(zhǔn)性高，感應(yīng)速度較快，但存在易氧化的缺陷。現(xiàn)代電容式溫濕度傳感器采用獨(dú)特的電極分布和鍍膜技術(shù)，不僅不會(huì)氧化，還能快速吸收水分，在水分蒸發(fā)后迅速?gòu)?fù)原。電子電容式溫濕度傳感器的原理圖如圖4所示。項(xiàng)目要求傳感器應(yīng)具備精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化的能力，所以選用±0.3 ℃、±4.5%RH的高精度電子電容式溫濕度傳感器。

圖4 電子電容式溫濕度傳感器

6 戶外端子箱環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)

作為變電站的重要設(shè)備，戶外端子箱雖執(zhí)行相應(yīng)的周期性或非周期性巡檢，但也無(wú)法保證每次防潮裝置出現(xiàn)故障或端子箱內(nèi)溫濕度出現(xiàn)異常時(shí)均能巡檢到位，且運(yùn)維工作量巨大。因此，可利用現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)量和控制戶外端子箱環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。干擾因素為端子箱封堵不嚴(yán)或室外空氣潮濕度劇增等，傳感器采集并處理溫濕度數(shù)據(jù)后與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，控制裝置控制防凝露裝置以達(dá)到調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的作用，進(jìn)而可第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常并及時(shí)響應(yīng)處理，從而提高設(shè)備自動(dòng)化程度和柜內(nèi)環(huán)境參數(shù)控制的實(shí)時(shí)性，改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。

圖5 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

戶外端子箱環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)硬件組件圖如圖6所示。柜門位置狀態(tài)及端子箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至專用集線器，防凝露裝置與集線器通過(guò)RS485實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，專用集線器通過(guò)無(wú)線傳輸協(xié)議將其他設(shè)備聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)。

圖6 環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)硬件組件圖

終端設(shè)備通過(guò)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)防潮設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制。在接收到互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理和存儲(chǔ)，并以數(shù)字化和曲線化的方式直觀地顯示戶外端子箱的溫濕度狀況及參數(shù)變化曲線，并結(jié)合天氣變化情況分析判斷設(shè)備運(yùn)行狀況及端子箱密封程度。該測(cè)控系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)及控制多個(gè)端子箱，采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每一層與上下層保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與準(zhǔn)確性，減少維護(hù)成本[4]。

7 應(yīng)用分析

通過(guò)對(duì)端子箱進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)端子箱和機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的環(huán)境測(cè)控。為測(cè)試系統(tǒng)性能，對(duì)升壓站內(nèi)部分端子箱進(jìn)行測(cè)控準(zhǔn)確性及除濕性能測(cè)試。選取110 kV出線間隔103開(kāi)關(guān)端子箱作為測(cè)試對(duì)象，記錄一天內(nèi)每?jī)蓚€(gè)小時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)溫濕度值。現(xiàn)場(chǎng)采用兩個(gè)機(jī)械溫濕度計(jì)取平均值，并與智能終端的記錄作比較，結(jié)果如表1所示。

表1 103開(kāi)關(guān)端子箱溫濕度對(duì)照表

由表1數(shù)據(jù)可以看出，同一時(shí)刻智能終端監(jiān)測(cè)到的溫度值與現(xiàn)場(chǎng)記錄值差值偏差在±0.3 ℃范圍內(nèi)，濕度值在±3%范圍內(nèi)，在誤差允許的范圍內(nèi)?？梢?jiàn)，該系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性上滿足誤差要求，符合運(yùn)行條件。

為測(cè)試系統(tǒng)除濕控制性能，本文選取101開(kāi)關(guān)端子箱及102開(kāi)關(guān)端子箱進(jìn)行了一天效果對(duì)比測(cè)試。戶外端子箱環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)控制值設(shè)置為50%RH，每30 min記錄下該時(shí)刻的濕度值，通過(guò)對(duì)濕度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析控制系統(tǒng)的濕度曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 濕度對(duì)照曲線圖

從以上測(cè)試效果可以看出，本文設(shè)計(jì)的戶外端子箱測(cè)控系統(tǒng)控制誤差小于±5%。相比于傳統(tǒng)防潮裝置，它具有較為顯著的防潮除濕能力，大大降低了設(shè)備運(yùn)維成本，提升了設(shè)備健康狀況。

8 結(jié) 論

應(yīng)用結(jié)果表明，本文控制系統(tǒng)具備良好的監(jiān)測(cè)精度及控制效果，與傳統(tǒng)加熱驅(qū)潮裝置相比具有更好的除濕效果，從根本上解決了除濕后潮濕空氣重新凝露的問(wèn)題，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。另外，系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了戶外端子箱環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)，為分析防潮設(shè)備運(yùn)行工況提供了有力工具，極大程度減少了運(yùn)維工作量，提高了工作效率，確保設(shè)備能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。