周继承，王流火，林涛，廖一键，韩凤琴，杜兆斌，张尧

(1.广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523120；2.广东电网有限责任公司，广东 广州 510600；3.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641)

在当前新时期环境下，国家提出了“资源节约型、环境友好型的工业化”的建设要求。移动式预制舱变电站作为新型的智能变电站建造模式，实现了设备的集成化、整体的模块化、预制的工厂化和系统的整合化[1]，其“快速化、节约化、智能化”的设计建造理念与新时期工业建设要求相契合，将成为未来新型智能变电站建设的主流方式[2-4]。

智能变电站采用预制舱式建设方案，在建造周期、经济性和土地使用效率等方面优势显著。然而，预制舱变电站布置紧凑且多建造于郊区，需要综合考虑当地气候条件、运行环境等实际情况来对舱体设计方案进行改进(如南方沿海湿热地区侧重于防强风、防潮和防腐蚀性能，高寒地区则侧重于防冻及保温隔热性能等)，实现差异化运营管理。广东地处南亚热带季风气候地区且临近南海，气候环境具有明显的高温、高湿、高盐特点，外部环境温度骤变、相对湿度增大等因素容易导致舱体内部发生潮湿凝露的现象，进而降低设备的绝缘强度[5]，易引起设备故障[6]。

近年来，围绕加热除湿、通风除湿、冷却除湿技术及解决方案，国内外学者及工程人员积极探索新型除湿技术[7]，开发新型除湿系统[8]，尤其是预制舱与箱式设备的防潮技术及措施[9-10]。

针对通风除湿模式：王延盛等[11]提出柜内通风除湿解决方案，并比较分析正压、负压方案的优劣；徐富强等[12]分析不同除湿方案的可靠性，结合下进风和半导体冷凝除湿技术，有效解决了端子箱的湿气排出问题；张炜等[13]对现有户外环网柜的结构进行数值模拟，分析结构、通风口位置与形状、风速等因素的影响，结果表明优化结构和进风口的形状位置可改善通风环境并增强防凝露的效果。传统通风除湿模式的系统结构简单，有助于调节内部环境的相对湿度，但属于被动式相对湿度调节方式，不能满足温度、湿度骤变环境下的调节需求，需要与除湿设备或加热设备相结合。

针对加热除湿模式：张建文等[14]提出基于无功环流的主动热控制技术，具有温度调节范围宽、受发电功率影响小等特点，但仅适用于防凝露控制；文献[15-19]设计并开发在线监测与辅助加热相结合的防凝露控制系统，实现降温保护，并在高压配电室中验证了温度、湿度双向控制的防潮防凝露方法的有效性。但这些方法均以预防为主，对于内部环境含湿量的动态调节作用甚微。因预制舱变电站及箱式电柜中电缆众多，电缆间均存在间隙，而电缆间隙是造成预制舱及箱式电柜内部环境持续潮湿的主要因素之一[20]，仅采用传统辅助加热模式不能起到真正的除湿作用[21]，需要采用更高效的除湿技术与设备。

针对冷却除湿模式：张鹏等[22]开发基于热电制冷技术的除湿设备，结果表明该除湿设备的除湿效率是仅采用传统电加热除湿模式的5倍；李红蕾等[23]开发了智能除湿防凝露控制系统，并从实现方式、综合能耗方面进行系统评价，发现采用除湿机相较于空调设备可降低能耗约66%。

本文针对南方高温高湿的环境特征，考虑预制舱变电站内部结构紧凑、拼接处与线缆进口处存在潮湿源的特点，开发基于热电制冷技术的冷却除湿方案[27]。参照预制舱的应用环境，搭建预制舱防潮防凝露测试平台，分析3种除湿模式在不同潮湿源环境下的除湿效果，以及在不同相对湿度环境下各模式的除湿效率与适应性，确定各模式的应用范围，为预制舱变电站的防潮除湿提供有效的解决方案。

1 试验与原理

除湿技术可以分为冷却除湿和加热除湿[24-26]2种。在冷却除湿过程中，空气的除湿是在其被冷却至露点温度以下时发生的。此时，冷却表面的温度保持低于空气露点温度，当潮湿空气经过冷却表面时，温度开始下降，在某一点达到其露点温度时，空气中的水分开始在冷却表面上形成露水颗粒，从而降低内部潮湿空气的含湿量。

本文依托东莞长龙预制舱变电站工程中的设备舱，按照除湿设备的布置进行分割，根据几何相似按比例2∶9搭建试验舱体，几何尺寸为1.84 m×1.38 m×0.8 m。试验平台的结构如图1(a)所示，试验平台设备根据试验要求进行搭建。采用安捷伦34972A进行温度测量，相对湿度测点布置如图1(a)所示。

a)通风模式：采用2个轴流风机，为保障预制舱内满足DL/T 5035—2019《火力发电厂采暖通风与空气调节设计技术规程》要求，风机功率为10.8 W，风量为181.9～234.6 m3/h，分别安装于进风口与出风口处。

b)电加热模式：采用6组功率为70 W/组的加热板，总功率为420 W。

c)除湿模式：采用基于热电制冷技术开发的除湿设备[27]，其结构如图1(b)所示，额定功率为400 W。除湿设备采用侧挂式安装于预制舱舱体，使用过程中根据设备运行环境参数进行预设置。热电制冷原理如图1(c)所示，热电PN结材料通过电流时，空穴与电子将产生定向移动，断键与合键将产生能量的转移，其核心效应为帕尔贴效应[28]。该技术具有无机械部件、无噪音、实用寿命长且为固态制冷等优点。

图1 预制舱实验平台

根据国家电网公司企业标准以及Q/GDW 11157—2014《预制舱式二次组合设备技术规范》要求，试验的加湿量分别设定为1.967 mL/min(工况1)、3.14 mL/min(工况2)和3.63 mL/min(工况3)，分别模拟常规潮湿、电缆沟槽受潮以及高温高湿环境3种不同的受潮工况。

2 结果分析与讨论

2.1 通风模式分析

通风模式是指仅采用通风系统进行内外空气流动交换以达到降低相对湿度目的的调节模式。图2为舱外环境相对湿度70.5%和加湿工况1下，初始相对湿度分别为95.3%、86%时，启动通风模式后相对湿度B随时间t的变化趋势。在通风模式下，舱内环境相对湿度开始快速下降，10 min后相对湿度变化率减小，在10 min时舱内相对湿度分别降低至72.6%和72.5%，与舱外环境相对湿度趋于一致。

图2 工况1下相对湿度与时间的关系(通风模式)

图3为舱外环境相对湿度70.5%和加湿工况1下，初始相对湿度72.6%～97%时，启动通风模式10 min后相对湿度的变化趋势。其中，D为10 min内的除湿量，ΔB为10 min内相对湿度的变化量。在初始相对湿度为97%时，采用通风模式10 min后，舱内含湿量降低28.62 mL，最终舱内相对湿度降低至72.5%。

图3 工况1下相对湿度与除湿量的关系(通风模式)

图4为舱外环境相对湿度为62%和加湿工况2下，初始相对湿度分别为95.5%、85.4%、80.4%、78%时，启动通风模式后相对湿度B随时间t的变化趋势。初始相对湿度分别为95.5%、85.4%时，舱内相对湿度在快速下降之后变化趋于稳定，在10 min时相对湿度分别降低至81.3%、78.6%；初始相对湿度分别为80.4%、78%时，舱内相对湿度则逐步上升，10 min后相对湿度升至84.9%、84.5%并趋于稳定。

图4 工况2下相对湿度与时间的关系(通风模式)

图5为舱外环境相对湿度62%和加湿工况2下，初始相对湿度72.6%～97%时，启动通风模式10 min后相对湿度的变化趋势。在初始相对湿度97%时，采用通风模式10 min后，除湿量为37.64 mL，最终舱内相对湿度降低至81%。

图5 工况2下相对湿度与除湿量的关系(通风模式)

图6为舱外环境相对湿度为62%和加湿工况3下，初始相对湿度为95.5%时，启动通风模式后相对湿度B随时间t的变化趋势。舱内相对湿度在短时间内快速下降后逐渐上升，并在120 min后稳定在94.4%。

图6 工况3下相对湿度与时间的关系(通风模式)

图7为舱外环境相对湿度62%和加湿工况3下，初始相对湿度73%～97%时，启动通风模式10 min后相对湿度的变化趋势。初始相对湿度为97%时，采用通风模式10 min后，除湿量为40.53 mL，最终舱内相对湿度降低至90%。舱内存在恒定加湿源时，通风模式不能满足其除湿需求。

图7 工况3下相对湿度与除湿量的关系(通风模式)

通风模式在不同工况下的除湿结果统计见表1。结果表明，通风模式在预制舱内相对湿度调节方面具有局限性，尤其是舱内存在恒定加湿源时，通风模式不能满足除湿需求。

表1 通风模式不同工况下的除湿结果

2.2 加热模式分析

加热模式是指采用正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)加热器提高环境温度从而降低环境空气的相对饱和度以达到降低相对湿度的方式。

加热模式下，相对湿度B、温度T与时间t的关系如图8所示。相对湿度随着温度的增加而逐步降低，预制舱内部环境温度增加将使相对湿度降低。初始相对湿度为95%，启动加热模式，舱内相对湿度与温度成反比，经过56 min后舱内相对湿度降至50%并趋于稳定，此时舱内环境温度为37.5 ℃，相较于初始温度提高约10 ℃。在120 min时，舱内相对湿度降低至40%，温度为41℃。加热模式可有效降低环境的相对湿度，但仅适用于环境含湿量一定的工况。

图8 相对湿度、温度与时间的关系(加热模式)

在没有加湿源的情况下，初始相对湿度分别为95.3%、90.3%、85.5%时，启动加热模式后舱内相对湿度与时间的关系如图9所示。随着时间的增加，舱内相对湿度逐步下降，经过30 min后各工况的相对湿度分别降低至60.2%、53.3%、49.6%。

图9 不同初始相对湿度下，相对湿度与时间的关系(加热模式)

启动加热模式10 min，相对湿度和含湿量的关系如图10所示。初始相对湿度73%～97%时，采用加热模式，除湿量先增加后减少；当初始相对湿度为85%时，除湿量最大。由此可知，当舱内相对湿度大于85%时，加热模式难以有效调节环境的相对湿度。

图10 相对湿度与除湿量的关系(加热模式)

加热模式下的除湿结果统计见表2。

表2 加热模式下的除湿结果

2.3 除湿模式分析

除湿模式中，采用基于热电制冷技术的冷却设备进行除湿，根据相对湿度与温度，快速调节至露点温度。

启动除湿模式10 min，加湿工况1下相对湿度与除湿量的关系如图11所示。随着相对湿度的增加，在相同时间内热电除湿设备的除湿量逐步增加。初始相对湿度95%时，热电除湿设备10 min可将舱内相对湿度控制至55%以下，除湿量为41.8 mL。

图11 工况1下相对湿度与除湿量的关系(除湿模式)

启动除湿模式10 min，加湿工况2下相对湿度与除湿量的关系如图12所示。初始相对湿度97%时，热电除湿设备10 min可将舱内相对湿度降低至65%，除湿量为47 mL。

图12 工况2下相对湿度与除湿量的关系(除湿模式)

启动除湿模式10 min，加湿工况3下相对湿度与除湿量的关系如图13所示。从除湿量的变化趋势可看出，当环境相对湿度大于95%，且加湿量为3.63 mL/min时，除湿模式达额定工况，其对应除湿量为5 mL/min，相对湿度的变化量趋于一致，最终状态的相对湿度值保持稳定在70%。

图13 工况3下相对湿度与除湿量的关系(除湿模式)

启动除湿模式，加湿工况3下相对湿度与时间的关系如图14所示。舱内相对湿度经过40 min降低至71%并趋于相对稳定，经过120 min相对湿度达到68%。

图14 工况3下相对湿度与时间的关系(除湿模式)

除湿模式不同工况下的除湿结果统计见表3。不同工况下，舱内环境相对湿度随时间的变化关系呈现先快后慢的主要原因是：舱内空气流动性弱，未能与除湿设备进行充分的能量交换。建议强化预制舱内部空气的流动性，或提高出风口流速，有助于提升除湿效率。

表3 除湿模式不同工况下的除湿结果

2.4 分析与讨论

不同相对湿度调节模式的比较见表4。通风模式与加热模式均属于被动除湿模式，适用于设备密封情况良好且不存在恒定加湿源的情况。综合加热模式、热电除湿模式的相对湿度调节特性、单位时间除湿量和功耗等，推荐热电除湿模式。考虑现阶段预制舱变电站的运行情况，舱体拼接处、线缆连接处等均存在缝隙，预制舱实际运行工况多为漏湿工况；随着预制舱变电站内部设备的电子化及智能化，为保障电力设备的高质量可靠运行，同时满足可应对高温高湿和温湿度急骤变化环境的突变情况，冷却除湿模式将成为首选。

表4 不同相对湿度调节模式的比较

3 结束语

本文在理论分析的基础上搭建预制舱防潮防凝露试验平台，比较分析基于热电制冷技术的除湿模式、通风模式与加热模式在预制舱防潮防凝露中的功能特点与适应性。研究表明：

a)基于热电制冷技术的除湿模式属于主动除湿，当舱体内部存在加湿源且相对湿度需快速控制的情况下，采用该除湿模式可以短时间内彻底降低环境相对湿度和含湿量，尤其是在有加湿源情况下，其除湿性能明显优于加热模式和通风模式。

b)通风模式属于被动模式，适用于预制舱内相对湿度高、外环境相对湿度低且相对湿度差较大的情况，在有加湿源的情况下其调节效果较弱。

c)加热模式可以通过提高环境的温度从而降低空气环境的相对湿度饱和度来降低相对湿度，但环境温度的升高会加速设备及元器件的老化。当相对湿度大于85%时，采用加热模式降低相对湿度的能耗远大于基于热电制冷技术的除湿模式。

综合能耗与设备的安全性，基于热电制冷技术的除湿模式将成为预制舱防潮防凝露的主要有效措施。未来的研究工作包括：结合数值模拟对预制舱内的流场、温度场分布进行分析，优化电力设备的布置，确定除湿设备的安装位置，实现高效防潮除湿。