集中表箱智能除湿装置设计及其性能研究

2023-12-09袁佩君白少锋孙浩泳柏兆勇何娟

电子元器件与信息技术 2023年9期

袁佩君，白少锋，孙浩泳，柏兆勇，何娟

国网江苏省电力有限公司泰州供电分公司，江苏泰州，225306

0 引言

集中表箱是广泛应用于380V及以下低压电能计量的成套箱型装置，主要用于低压用户计量和分配电能[1]。一方面，随着城市化进程的加快，许多小区住宅和商铺的集中表箱安装在地下室及强电井等潮湿环境[2-3]；另一方面，集中表箱是由钢材质加工而成，湿气易积留在电表箱内部，造成表面一定的腐蚀。在此情况下，设备内部易发生凝露引起爬电、闪电事故，同时电气金属元件腐蚀厉害，严重时可导致开关线路短路而引发火灾。

为了现场表箱安全，针对上述存在的问题，本文设计并研制了一种集中表箱除湿设备装置。装置内部采用专门的半导体制冷除湿方式并安装温度、湿度传感器，可实现集中表箱内部温度与湿度的实时监测。通过携带的RS485通信功能将数据实时反馈到用户终端。该装置使用方便、除湿效果稳定，还可广泛应用于GIS控制柜、高低压开关柜、环网等电气设备。

1 凝露的产生条件

凝露是自然界一种非常普遍的物理现象。空气主要由绝干空气、水汽和尘埃三部分组成[4]。当高湿的空气遇到低温以后，水蒸气的分压力达到对应于该空气湿度的饱和压力，空气中的水汽便达到了饱和。若再次降低环境温度，水汽就会从空气中冷凝析出形成“露滴”。

对于集中表箱而言，当柜体内壁表面温度下降达到露点温度以下时，内壁表面会发生凝结现象。凝结现象的发生取决于室内温度、柜内温度、相对湿度以及露点温度[5]。此外，由于我国各地气候条件差异很大，某些地区湿度高、温度变化大等诸多不利的外部环境因素加剧了凝露的生成。根据湿空气焓湿图，得到了露点温度、环境温度与相对湿度的关系，如图1所示[6-7]。从图中可以看出，相对湿度与露点温度成正比。当环境温度保持不变时，相应的露点温度也随着相对湿度的增加而增加。即相对湿度越高，凝结的概率就越大。

图1 露点温度、环境温度与相对湿度曲线

基于对图1的数据分析，要想防止凝露现象的发生，必须使凝露部位的表面温度始终高于其周边环境温度。对于集中表箱而言，只要使控制柜内部的温度始终高于柜外部的环境温度，且尽量降低柜体内部的相对湿度，完全可以避免柜内产生凝露，从而维护表箱安全，防止湿气过重导致短路跳闸等问题的发生。

2 智能除湿装置设计及运行原理

2.1 智能除湿装置设计

该集中表箱智能除湿装置由电源系统、送风系统、半导体制冷器、温湿度传感器、温湿度检测控制回路、无线模块及排水管路组成。综合考虑该设备应用环境的局限性及便于安装，该设备在研制时，外形尺寸设计为243×130×70（mm），使用M5螺钉或者5mm的铆钉固定；为保证除湿的效果，抽湿装置前面设计风扇口，保证正面风扇出风口出风。通信装置采用目前市场上的RS485通信系统，它具有系统运行稳定、通信速率高等特点。集中表箱智能除湿装置整体结构及通信原理分别如图2和图3所示。

图2 集中表箱智能除湿装置整体结构图

图3 集中表箱智能除湿装置通信原理图

2.2 运行原理

首先，对于集中表箱的除湿作用，设计专门的半导体制冷除湿方式。当潮湿空气经风扇吸入后，通过特殊设计的风道流动，先经半导体制冷器降温结露，制冷器的结露在重力作用下滴入引水槽，再由导水管流到柜外[8]。在设定的启动值内，经过充分循环除湿，使柜内空气湿度降至结露点以下，完成整个防潮引凝。同时，除湿装置的信号采集传感器能实时准确地采集到柜内的真实湿度，保证集中表箱智能除湿装置在柜内将要达到凝露条件时提前启动除湿。其次，该设备具有一定的兼容性，能够携带RS485通信功能，其网络采集器及接线方式分别如图4（a）和（b）所示。采用RS485通信功能，通信地址可调、可远程控制、可调节运行参数以及上报故障[9]。当具有RS485通信功能的除湿装置收到上位机的数据时，分析数据后马上回复数据给上位机。

图4 网络采集器及接线方式

该设备装有智能操作面板，如图5所示。开机后，除湿设备进入自检状态，上排数码管显示环境湿度值，下排数码管显示环境温度值，用户可以通过智能面板进行控制[10]。一方面，可自定义手动/自动模式，其模式方式通过指示灯进行显示。在自动模式下，基于除湿设备里的温度与湿度传感器，当感知到环境较为潮湿时，即可自动启动半导体除湿方式。另一方面，用户按“设置/退出”键，通过选择上排不同的数码可自主设置除湿启动值、自动设置湿度启动值、湿度断开值、温度启控工作模式等方式。

图5 智能操作面板

3 智能除湿装置性能测试

3.1 装置安装现场

在除湿装置研制的基础上，开发集中表箱智能除湿装置产品，并投入到现实生活应用中。目前研发的集中表箱智能除湿装置已在江苏泰州、无锡等地安装使用。

首先，在安装集中表箱智能除湿装置时必须竖放，出水口朝下，以保障冷凝水及时排到电表箱外。其次，要在电表箱里寻找恰当的位置，保证除湿装置前面与其他装置间有一定的空间，以此保证正面风扇出风口出风。然后，将出水管一端接入抽湿装置的派送口，用卡箍固定，出水管中间保持顺畅，以方便排水。最后，电源接线端子L/N接上AC220V电源即可。集中表箱智能除湿装置现场安装图和集中表箱智能除湿装置运行图分别如图6（a）和（b）所示。

图6 智能除湿装置安装图和运行图

安装完除湿装置后，对现场进行测试。测试效果如图7所示。在未安装除湿设备前，柜壁上的小水珠有明显聚集。在设备运行之后，柜壁上的小水珠明显消失。该现象说明研制的除湿装置能够有效减少箱内空气中的水分并降低相对湿度，将冷凝水安全地排放到电表箱外部，使集中表箱始终处于一个安全稳定的环境下运行。

图7 智能除湿装置测试效果

此外，通过无线通信对除湿装置进行精准定位，通过手机终端能够实时监测其运行状态。对于其告警状态及离线状态能够及时感知，方便派出维修员进行维护。以韵梅苑（2）小区为例，当该小区安装的设备出现问题后，在终端即可看到设备此时的“告警”状态。设备无问题正常运行时，即显示“正常”状态。图8为集中表箱智能除湿装置运行状态实时监测图。

图8 智能除湿装置运行状态实时监测图

3.2 温度分析

以韵梅苑（2）小区安装的集中表箱智能除湿装置监测到的信息为例，分别对其某一天内、某一周内和某一个月内监测到的环境温度进行分析。

图9为韵梅苑（2）小区某一天内的环境温度实时监测图。该数据的记录时间为2022年11月13日9时20分-2022年11月14日9时20分，共记录到288条数据，平均每5分钟温度传感器采集一次温度值，反馈上传速度极快，可实现24小时监测的功能。在该日，集中表箱内环境温度平均为16.91℃。最高环境温度与最低环境温度分别为18℃和16℃。电表箱处于相对恒定的温度，既不会很高也不会很低，该温度能够有效减少冷凝水珠的形成。

图9 韵梅苑（2）某一天内环境温度实时监测图

图10和图11分别为韵梅苑（2）小区某一周内和某一个月内的环境温度实时监测图。在一周之内，共记录2015条温度传感器监测数据，集中表箱内环境温度平均为20.11℃。最高环境温度与最低环境温度分别达到25℃和16℃。在一个月之内，共记录8907条温度传感器监测到的数据，集中表箱内环境温度平均为20.01℃。最高环境温度与最低环境温度分别达到25℃和16℃。一方面，相较于日变化的环境温度情况，周变化环境温度与月变化环境温度起伏较大，具体与每日气温值有关系。另一方面，该智能除湿装置始终将环境温度保持在一定的控制范围内，避免温差过大发生冷凝现象。若环境温度超出设定的阈值，该装置自动引凝。本除湿装置适宜的环境工作温度为-15℃～50℃，在温度传感器监测到的这些数据中，本装置可完全正常工作，确保除湿效果。

图10 韵梅苑（2）某一周内环境温度实时监测图

图11 韵梅苑（2）某一月内环境温度实时监测图

3.3 湿度分析

以韵梅苑（2）小区安装的集中表箱智能除湿装置监测到的信息为例，分别对其某一天内、某一周内和某一个月内监测到的环境湿度进行分析。

图12为韵梅苑（2）小区某一天内的环境湿度实时监测图。记录时间为2022年11月13日10时-2022年11月14日10时，共记录到288条数据，湿度传感器实现24小时监测功能。在该日，集中表箱内环境湿度平均为52.78%。最高环境湿度与最低环境湿度分别达到51%和55%。

图12 韵梅苑（2）某一天内环境湿度实时监测图

图13和图14分别为韵梅苑（2）小区某一周内和某一个月内的环境湿度实时监测图。在一周之内，共记录到2015条湿度传感器监测数据，集中表箱内环境湿度平均为64.65%。最高环境湿度与最低环境湿度分别达到75.5%和51.0%。在一个月之内，共记录到8907条湿度传感器监测数据，集中表箱内环境湿度平均为58.20%。最高环境湿度与最低环境湿度分别达到75.5%和36.0%。集中表箱要求的湿度默认启动阈值为＜65%。