環(huán)網(wǎng)柜智能濕度監(jiān)測及除凝露系統(tǒng)設(shè)計

謝小川，張隆斌，廖鵬飛，何浩，吳玉豐，冉衛(wèi)華

（國網(wǎng)重慶市電力公司彭水供電分公司，重慶，400000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，居民生活及工商業(yè)等的用電量均日益劇增，這對電力系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展提出了更高的要求，其中對電力系統(tǒng)供電可靠性的要求也是達(dá)到了一個前所未有的水準(zhǔn)[1]，為了提高用戶的用電穩(wěn)定性，10kV 戶外設(shè)備作為配電側(cè)最重要的電能傳輸、分配的部分之一，其作用不言而喻[2]。作為配電側(cè)的重要設(shè)備，環(huán)網(wǎng)柜承擔(dān)著開關(guān)開合、電路控制及用電保護(hù)等諸多重要的任務(wù)，在電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)、變電過程、輸電環(huán)節(jié)以及配電側(cè)均扮演著重要的角色[3]。

為了保障配電環(huán)網(wǎng)柜的穩(wěn)定運行，一個不可忽視的重要因素即是其長期戶外工作的環(huán)境條件。一般來說，密閉式的結(jié)構(gòu)被廣泛使用在配電環(huán)網(wǎng)柜等10kV 戶外典型設(shè)備中，而以往的經(jīng)驗表明，在長期高溫高濕、低溫高濕的室外工作環(huán)境下，此類密閉式結(jié)構(gòu)內(nèi)部經(jīng)常會出現(xiàn)由于缺乏散熱除濕能力導(dǎo)致的局部過熱、濕度超標(biāo)等問題[4]，在設(shè)備表面甚至內(nèi)部形成凝露，如果不對其進(jìn)行即使處理，潮濕的環(huán)境則會損壞設(shè)備的電路元件，影響環(huán)網(wǎng)柜的正常運行，嚴(yán)重情況下可能還會燒毀設(shè)備的總電路，造成設(shè)備癱瘓，引發(fā)大面積停電，危害電力系統(tǒng)的供電可靠性[5]。

眾所周知，凝露這種自然現(xiàn)象一般來說是無法完全避免且難以預(yù)測的，通常來講，南方濕度較大的一些地區(qū)，晝夜溫差大、溫度變化劇烈的一些地區(qū)、地下室環(huán)境以及一些重濕度的特殊環(huán)境中的機柜產(chǎn)生凝露的頻率非常高，此外，處于暫時停運狀態(tài)的設(shè)備也經(jīng)常遇到凝露問題，我國幅員遼闊，在北方地區(qū)，較大的晝夜溫差，以及南方潮濕炎熱的氣候，皆滿足了容易產(chǎn)生凝露的必要條件，戶外電氣設(shè)備容易發(fā)生由凝露引起的一系列故障。由此可見，表面甚至內(nèi)部凝露現(xiàn)象已經(jīng)成為一個長期困擾我國變電站戶外設(shè)備的重要因素，并且大幅度提高了電力事故發(fā)生的可能性，由凝露引發(fā)的變電設(shè)備損壞及大規(guī)模停電事件時有發(fā)生，其造成的影響極其惡劣[6]。由此可見，調(diào)查戶外環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備凝露現(xiàn)象產(chǎn)生的機理并探索相關(guān)處理手段，對遏制凝露問題造成的戶外設(shè)備的故障與損失有著極大的現(xiàn)實意義，也是提供我國電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定的有效途徑[7]。

本文要設(shè)計了一種環(huán)網(wǎng)柜智能濕度監(jiān)測及除凝露系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于濕度傳感器對設(shè)備內(nèi)部的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行收集后再傳輸至控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能診斷后，操作除濕設(shè)備開始工作或停止，由此實現(xiàn)對環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備濕度的實時監(jiān)測，并基于開發(fā)出的除濕裝置降低空氣濕度、去除凝露，從而避免環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備由于凝露聚集發(fā)生故障。

1 環(huán)網(wǎng)柜智能濕度監(jiān)測及除凝露系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.1 AM2320 傳感器

準(zhǔn)確且及時對環(huán)境濕度進(jìn)行實時監(jiān)測是濕度監(jiān)測及除凝露系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，一般來說，濕度傳感器多與溫度傳感器多被設(shè)計為復(fù)合式傳感器，具有同時監(jiān)測溫濕度的功能，下文簡稱其為溫濕度傳感器，目前市面上主流的溫濕度傳感器主要有兩種，一類是基于接觸式傳感的濕度傳感器，顧名思義，此類傳感器通過與被測物理的直接接觸測，通過熱量交換來檢測溫度，其一個很大的弊端為，由于傳感器與被測物理接觸時兩者必要的熱量傳輸會導(dǎo)致溫度的變化，從而使得濕度傳感器的檢測結(jié)果受到影響，對于用于高精度檢測濕度的場合，檢測精度難以保證。另一類溫濕度傳感器則可是不需要與被測物理接觸的，濕度檢測模塊可以獨立工作，不收到溫度檢測的干擾?？紤]到上述原因，本文選擇了AM2320非接觸式數(shù)字濕度傳感器，該傳感器與上述介紹的溫濕度傳感器類似，也是一款可實現(xiàn)對溫度、濕度同時檢測的復(fù)合式傳感器。在傳感器內(nèi)部，檢測兩個參量的元件，即檢測濕度的電容式元件與檢測溫度的高精度集成元件，在執(zhí)行檢測任務(wù)時獨立工作，并都由一個集成的微處理器控制。傳感器的數(shù)據(jù)通信方式有兩種協(xié)議，分別為標(biāo)準(zhǔn) I2C 和單總線。采用該通信方式的優(yōu)點在于其接口簡單，采用4 根引線的信號輸出方式，便于接線，且無需其他的布線，同時能支持較遠(yuǎn)的傳輸距離。此外，該設(shè)備的傳感器已被提前校準(zhǔn)，輸出的數(shù)字信號即為精準(zhǔn)的環(huán)境溫度值和環(huán)境濕度值，不需要對輸出信號進(jìn)行任何計算處理和數(shù)值精度補償。AM2320 傳感器的外觀如圖1 所示，其長、寬、高分別為1.6cm，1.01cm 及0.35cm，外形小巧，不占據(jù)太多空間，便于傳感器的安裝，且不會影響設(shè)備內(nèi)部的絕緣。

圖1 傳感器外形尺寸圖

1.2 冷凝除濕裝置

冷凝除濕裝置通過接口與AM2320 傳感器相連，該裝置的核心組件為一個基于半導(dǎo)體材料的冷凝片，其它元件還包括一個小風(fēng)扇以及設(shè)備的接口電路，該接口電路提供與AM2320相連的接口，連接微控制器的接口、基于485 協(xié)議的通信接口以及半導(dǎo)體制冷組件接口電路，此外，MEGA48 可編程微控制器也集成在此電路內(nèi)。

首先簡單介紹半導(dǎo)體冷凝除濕的基本原理，其實現(xiàn)方式基于塞貝克效應(yīng)和珀爾帖效應(yīng)，通過熱電制冷這一基本原理達(dá)到使潮濕的空氣中的水分子液化的目的。具體方式即為將N 型、P 型兩種半導(dǎo)體材料串聯(lián)，并緊密排列使其相互貼合。這樣做的目的是在對設(shè)備通直流電時，由于N 型半導(dǎo)體與P 型半導(dǎo)體的材料特性，其內(nèi)部的電子會發(fā)生不同朝向的轉(zhuǎn)移，電子會大規(guī)模的從N 型半導(dǎo)體的一段轉(zhuǎn)移到P 型半導(dǎo)體的一段，在這個過程中，熱量也會隨著電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，由此實現(xiàn)半導(dǎo)體材料N 端溫度低，P 端溫度高的現(xiàn)象?？諝庵械乃肿釉贜 端附近會迅速釋放熱量，在冷凝板上冷凝成小水珠，在冷凝板上的小水珠聚集了一定的量后會形成水流從導(dǎo)管排出，從而降低設(shè)備內(nèi)部的空氣濕度，并去除設(shè)備內(nèi)的凝露。該半導(dǎo)體材料的N 端的溫度最低可以下降到零下30℃左右，空氣中的水分子可以迅速達(dá)到露點以下，冷凝速度快，且功耗較低，冷凝除濕裝置外形示意圖如圖2 所示，對各部分組件進(jìn)行介紹，其中1 為ATMEGA16 智能控制器、2 為電源開關(guān)、3 為熱敏電阻、4 為進(jìn)風(fēng)口，采用鏤空設(shè)計、5 為太陽能板，可支撐設(shè)備在戶外環(huán)境無源工作、6 為風(fēng)扇、7 為N 型P 型半導(dǎo)體冷凝器、8 為冷凝蓄水池，收集冷凝水、9 為太陽能蓄電池、10 為隔潮支架，為橡膠材質(zhì)、11 為電導(dǎo)線、12 為排水管道、13 為蜂鳴器、14 為LCD 顯示屏及15 為AM2320 溫濕度傳感器。

圖2 冷凝除濕裝置外形示意圖

接下來介紹，除濕裝置中的半導(dǎo)體制冷組件接口電路，如圖3 所示。設(shè)備通過HEADER6 接口，向半導(dǎo)體制冷片和直流小風(fēng)扇分別提供12V 的直流的電源。同時，NTC 熱敏電阻并應(yīng)用來監(jiān)測冷凝面的溫度，該做法的目的在于給半導(dǎo)體制冷片提供反饋，防止冷凝面的溫度過低，造成冷凝水結(jié)冰的情況，避免冷凝水由于溫度過低無法排除，影響裝置的除濕效果。此外，除濕裝置電路中采用485 接口實現(xiàn)與微處理器的信號傳輸。

圖3 半導(dǎo)體制冷組件接口圖

1.3 智能控制單元

該裝置的智能控制單元搭載了ATMEGA16 微控制器，通過485 通信接口進(jìn)行通信。通過電容式的感濕元件和高精度集成測溫元件采集到的設(shè)備內(nèi)部溫濕度的相關(guān)數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過RS485 總線傳輸?shù)交贏TMEGA16 微控制器電路的智能控制單元后，智能控制單元判斷環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度情況，實現(xiàn)控制半導(dǎo)體冷凝裝置的啟動和停止，冷凝裝置采用基于塞貝克效應(yīng)和珀爾帖效應(yīng)的熱電制冷原理，通過對半導(dǎo)體設(shè)備施加直流電進(jìn)行制冷，從而使得潮濕的空氣中的水分子冷卻到露點以下，進(jìn)而凝結(jié)到冷凝板上，冷凝板收集到一定量的水分后會形成流水通過水管流出，通過這種方式不斷的凝結(jié)柜體內(nèi)的潮濕空氣的水分，并排出到柜體外，從而實現(xiàn)除濕的目的，由于濕度過高或過低都不利于設(shè)備的長期運行，因為程序?qū)⒖刂骗h(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的環(huán)境濕度長期保持在60%RH 左右，此外，還需保證冷凝板的環(huán)境溫度在0℃以上，冷凝水不會因為溫度過低而結(jié)冰。

2 環(huán)網(wǎng)柜智能濕度監(jiān)測及除凝露系統(tǒng)基本工作流程

本系統(tǒng)采用圖1 所示的AM2320 非接觸式數(shù)字濕度傳感器，分別依靠其中的電容式的感濕元件和高精度集成測溫元件對環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部的溫、濕度進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)通過RS485總線傳輸?shù)交贏TMEGA16 微控制器電路的智能控制單元后，智能控制單元將對設(shè)備內(nèi)環(huán)境的溫濕度情況進(jìn)行智能診斷，具體來說，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為：如果環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的濕度高于60%RH，啟動半導(dǎo)體冷凝裝置，反之則停止工作；如果環(huán)網(wǎng)柜冷凝板的溫度低于0℃，半導(dǎo)體冷凝裝置也會被強制停止工作。通過這種方式不斷的凝結(jié)柜體內(nèi)的潮濕空氣的水分到冷凝板上，并在收集到一定量的水分后，形成流水通過水管流出，排出到柜體外，實現(xiàn)空氣除濕的目的；在空氣濕度低于60%RH 時，控制半導(dǎo)體冷凝裝置的停止，以使得設(shè)備內(nèi)部環(huán)境的濕度長期處于60%RH 左右。此外，該系統(tǒng)還設(shè)置有報警功能，在溫濕度傳感器監(jiān)測到的濕度持續(xù)較高，控制半導(dǎo)體冷凝裝置連續(xù)工作十次時，系統(tǒng)判斷設(shè)備內(nèi)部的濕度已經(jīng)無法通過半導(dǎo)體冷凝裝置降低，ATMEGA16 控制蜂鳴器發(fā)出報警信號，設(shè)備的工作流程如圖4 所示。

圖4 環(huán)網(wǎng)柜智能溫濕度監(jiān)測及除凝露系統(tǒng)基本工作流程

3 結(jié)語

本文設(shè)計的凝露系統(tǒng)可以通過監(jiān)測環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部環(huán)境溫度和濕度，并通過RS485 總線傳輸至智能終端，根據(jù)設(shè)定的溫度和濕度上限制值，控制除濕裝置工作，降低環(huán)網(wǎng)柜中空氣濕度，防止環(huán)網(wǎng)柜受到凝露影響，并在設(shè)備內(nèi)部濕度持續(xù)過高時自動生成報警事件，防止環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備由于長期處于高濕度環(huán)境下腐蝕損壞，可極大的提升配網(wǎng)的供電可靠性，具有一定的現(xiàn)實意義和可推廣性。