翟淑慧 牛卫平 张开宇

摘要：针对室外高压开关柜极易受到自然环境变化的影响，譬如在一些高温高湿的天气，潮湿的空气进入柜体内接触到电气设备凝结成水珠，很可能造成线路绝缘性能下降甚至短路的情况，本文设计基于自控技术的高压开关柜恒温除湿系统，解决电气柜的凝露现象，避免由于发生凝露而引起爬电、闪络事故，提高电力设备的安全运行水平。

关键词：开关柜、凝露、智能控温、冷凝除湿

1 概述

高压开关柜是重要的电力设施，为了防止水进入开关柜需要封闭开关柜，但是封闭的同时也导致内部的潮气不能顺利排出，而产生受潮的情况。当高压开关柜中的潮湿空气达到露点温度形成液体水时，会降低绝缘能力，对开关柜中电力设备的机械和电气特性产生影响。严重情况下凝露在开关柜顶部的水珠下滴到运行设备上，将使开关柜放电，从而造成大面积停电事故。

为了避免室外开关柜受自然环境变化的影响发生凝露而引起的爬电、闪络事故，提高电力设备的安全运行水平，本文设计开关柜智能控温冷凝除湿系统，基于物联网的联动控制管理，保障其内部干燥程度，防止因湿度过高产生锈蚀与霉菌而导致的柜内设备老化、绝缘强度降低、二次端子击穿、材料霉变及钢结构件锈蚀等安全隐患。

2 冷凝除湿机理

本文采用的开关柜智能控温除湿技术，主要利用不同材料半导体联结成对并通入直流电后产生的物理特性，即一面发热，一面制冷，形成新型的半导体冷凝除湿装置并将其应用在高压开关柜内。通过制冷面温度小于环境的温度，使得环境中的水分凝露到制冷面，并由引水管将水分排出高压开关柜外。

2.1 半导体制冷原理

半导体制冷机理其实是一种热泵类的热电制冷片，对由两个不一样材质组合而成的半导体联结热电偶对通入直流电时，在热电偶对的两侧可以吸收和释放热量，这样一来吸热端可以成为制冷端，通过该电气物理特性，就产生了新型半导体制冷技术。这种制冷技术就是能够产生负热阻的方式，它的优点是没有机械旋转元件，稳定性非常高。

热电偶是由P型和N型半导体材料祸合而成的，DC电流通过热电偶。由于流经热电偶的电流方向不同，在电接触表面产生发热和散热，这就是珀耳帖效应，如图1所示。

在材料中，不仅需要两种半导体的物理和电学特性，而且也改变了半导体热电杂质的掺杂率。所使用半导体材质不同，对最后成品的半导体制冷性能影响非常大。在理论上，半导体制冷芯片是一种传热工具。将P型、N型半导体材质凑在一起组合成热电偶对，一旦对该电偶对进行通电，该电偶对上就发生有热的传递。具体来说，如果电流从N侧流向P端子，则耦合表面的温度下降并吸收热，这就是冷端;如果电流方向从P段流向N段，温度会上升，放热，形成热端。

2.2 半导体电偶对的结构

根据电导特性，当电流通过半导体时，半导体本身具有电阻，能产生热，将有热传导影响。并且在半导体以及空气的影响下，热量也会自主得发生自我传递。当冷热端达到一定温度差时，两个换热相等，从而达到平衡点。此时，换热不会再发生，两端的温度也不会改变。想要使半导体继续传热，只有选用另一种降温方式来使发热部位的热量减少，从而让冷凝效果变得尤为明显。图2所示为半导体电偶对的结构图。

制冷片由两种不同材质半导体联结组成。它突出的特点是没有转动部位，也不需要更换制冷剂，稳定性能较高，非常适合空间狭小以及受安全距离影响的地方。

3 智能自动控制冷凝除湿系统设计

通过以上分析，基于半导体冷却片的除湿原理具有一定的除湿优势。为了能够对开关柜内空气相对湿度的改变情况进行实时监督，保证较大的空气的相对湿度能够开启半导体冷凝除湿装置，本文对半导体冷凝除湿装置的结构及基于单片机的控制方法进行研究设计。基于单片机的控制装置不仅能够对高压开关柜内部空气的相对湿度进行准确监测，也能保证半导体冷凝除湿装置的有效运行。通过智能自动控制的冷凝除湿系统，改变传统的加热型除湿系统导致的空气整体向上流动，使开关柜内的水分彻底凝露在开关柜底部。

结合变电站室外开关柜的现场环境，本文设计的冷凝除湿系统能够对开关柜内空气的相对湿度准确监测，同时及时将半导体冷凝除湿装置启动，保证半导体冷凝除湿装置安全稳定运行，这样冷凝后的水滴才能排出开关柜。系统原理如图3所示：

湿度传感器测量变电站开关柜的电流和湿度数据，通过模数转换模块将模拟电压转换为数字量，然后传入单片机。单片机从湿度传感器中获得的采样数值，跟预先在单片机中设定的湿度定值进行对比，若所传感器传送的数据，即测得的湿度值比设定值高，那么就启动半导体冷凝除湿装置。相反，如果测得的湿度低于设定值，停止半导体冷凝除湿装置。从而构成一个由单片机控制湿度稳定的负反馈系统。显示器用于显示环境湿度值和设定的阀值。半导体冷凝除湿装置用于环境湿度超过阀值时启动，以降低空气湿度。键盘模块用于设定湿度阀值。

通过不同湿度值来确定半导体冷凝除湿装置的启停定值，在满足除湿目的的前提下，以节约成本的设计达到最良好的除湿效果。

由于半导体冷凝除湿装置在工作的时候会在一侧形成制冷面，空气在遇到制冷面时，空气中的水汽会在制冷面凝露，并将其引导至排水口排出。另一侧会形成发热面，为了半导体冷凝除湿装置更好的工作以及热量的有效散发，在制热面装设一个依附在半导体制热面的散热风机，风力方向为由制热面向外，这样做的目的是将环境中的空气引向装置中，使得高压开关柜内的空气更快更多地通过装置，使得空气更快接触到制冷面，加快湿气凝露的效果。

4 应用效果

智能控温除湿系統在国网祥符供电公司的室外10kV环网柜中进行了实际应用，实践及数据证明，智能控温除湿系统能够实现自动调节湿度，有效防止了凝露现象，可保持电力设备柜体、箱体内环境在规定的干湿范围，提高设备使用寿命，确保安全运行。除此之外，在变电站其他端子箱、回流箱、通讯箱等容易受潮的户外箱内，同样具有应用价值。因此，将高压开关柜、环网柜等电气柜内传统的加热除湿系统改造成新的智能控温冷凝除湿系统，一来可降低传统加热器带来的局部环境温度升高的副作用，最重要的是能有效减少高压电气柜内的整体环境湿度，使设备今后的运行环境能够变得干燥，摈除因湿度高给开关柜带来的安全隐患;同时，能节省一定的电能，降低运维成本，经济效益显著。

5结束语

本文设计了基于自控技术的开关柜恒温除湿系统，可以实时监测开关柜内的温度和湿度，并采用半导体制冷方式除湿，将柜体内的潮湿空气吸收到机器内部，空气中的水汽经过半导体制冷机构后冷凝成水排出柜体达到理想的除湿效果。安装本装置可降低开关柜内空气中的水份含量，有效抑制柜内相对湿度的上升，破坏凝露的形成条件，从根本上解决电气柜凝露现象，实际应用效果显著。

参考文献：

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