“冷点”除湿方法在变电站室外箱体中的应用

董肇晖　翟博　李秋实　张亚晨

【摘 要】此项目是针对室外箱体内设备湿度大，二次原件工作环境恶劣的特点，对现有驱潮加热器工作原件进行分析，查找设备除湿薄弱环节，从设备含湿变化原理出发，创新性提出室外箱体“冷点”除湿方法。原有的室外箱体除湿功能主要依靠驱潮加热器实现，其原理是通过提高箱体温度延缓箱体湿度达到饱和，并不能使箱内湿气有效排出箱体，如进入雨季，箱体环境温度突降，则很容易使箱内凝露，此时只能继续提高加热功率，如此使箱内在雨季进入高温高湿环境，更加不利于二次元件正常工作。为解决这一问题，本文提出利用电子制冷器的制冷端在箱内制造一个“冷点”通过定点凝露的方式将潮气排出，再通过加热端将冷凝干燥后的空气加热排入箱内，实现箱体内循环除湿加热。

【关键词】“冷点”除湿；循环除湿加热

1 室外箱体理想工作环境与现状

1.1 室外箱体理想工作环境

在变电站中所谓室外箱体通常指一次设备的机构箱、端子箱、汇控箱、检修电源箱等设备。此类设备内承载控制一次设备动作、反应一次设备工况的各种二次系统元件，主要以端子排、继电器、接触器、微动开关、辅助节点、控制按钮和二次电缆为主。其工作电压通常为交、直流220V，绝缘介质一般为空气和绝缘塑料，绝缘距离一般为厘米级。为保障上述设备能够正常工作理想情况下希望设备在常温、干燥的环境中工作。原因如下：如温度过高会影响塑料绝缘性能、降低使用寿命；如温度过低会使塑料变脆降低使用寿命，在元件动作时易发生设备开裂、产生节点卡涩、元件动作不正确的现象；如湿度过大不仅会加剧元件老化、修饰影响使用寿命，而且还会在低温下产生凝露，导通部分二次回路，导致二次回路误动作，如高湿遇到高温会加剧二次元件老化、锈蚀、卡涩，导致二次元件拒动可能性加大。所以室外箱体理想工作环境为干燥常温，其中干燥是关键、不能箱体内部不能凝露是基本要求。

1.2 室外箱体实际工作环境

在实际情况中室外箱体长期暴露在雨、雾、风、雪等环境中，自然环境中的水分会不断向箱体内侵入。为避免雨水侵入，箱体的二次电缆会从箱体下方进入箱体，此时箱体会像一个罩子扣在电缆沟上方，沟内的潮气在烟囱效应下（指特点空间内空气沿着有垂直坡度的空间向上升，并不断将户外的空气抽入填补，造成空气加强对流的现象，也称拔火拔烟）不断进入箱体，在特定环境下箱内湿度会远大于大气湿度，而昼夜温差会使这一现象加剧，并在箱体内部产生凝露、结霜甚至结冰。

1.3 目前治理方法及不足

为应对上述现象，传统上室外箱体中会采取开通风孔、定期晾晒和安装驱潮加热器的方法进行治理，下降对这三种方法的工作原理和不足分别说明。

通风孔：该方法是在箱体两侧对开两个小孔，使箱体与环境形成对流，将电缆沟升腾进入的水汽拍到室外，进而降低箱体湿度的方法，此方法能够将箱内湿度保持与大气基本一致，因上面讲过，箱内湿度会远大于环境湿度，故此方法能降低箱内湿度。但该方法具有一定局限性，对于沿海、山区或其它潮湿地区或环境中，如大气湿度趋于饱和，则箱内湿度也会趋向饱和甚至过饱和，并在温差下产生凝露，不能完全满足箱体工作要求。

定期晾晒：该方法是指在箱体工作一段时间，或者经过一段比较潮湿的时间后，在外界环境较好的情况下（通常指干燥、威风、日照足的环境）打开箱体进行晾晒，促使箱体内湿气迅速排出。该方法只能作为箱体内部受潮后的补救措施，并不能防止箱体内湿度过大，且晾晒时必须有人员看护，防止突然下雨或者有小动物、昆虫进入，影响设备正常运行。

安装驱潮加热器：该方法是通过在箱体内部安装加入器，当湿度过大时通过湿度控制器启动，迅速提高箱体内温度。根据温湿度曲线，温度上升湿度（饱和度）下降，以此防止设备凝露的应急手段。同时温度上升会提高箱体内的气压，使箱体內的气体向箱体外排出，以此降低箱体内的含水量。但是因箱体通常具有一定的密封性，此方法所产生的压差并不能有效的将箱体内的湿气排出，如一味提高加热功率还会是箱内产生高温，如停用加热器会使潮气更快速进入箱内，如此进入闷湿的恶性循环，而上面说过高温高湿、即使不凝露也会是二次元件生锈，如此时遇到气温突降，加热功率不能维持温度，会在箱体内产生更严重的凝露。

2 室外箱体“冷点”除湿方法的使用及注意事项

2.1 “冷点”除湿方法的使用

本文创新性提出室外箱体“冷点”除湿方法。即在箱体内人为制造一个冷点，将空气中的水分通过定点冷凝再排出箱外，具体实现方法如下：利用制冷器（推荐使用电子制冷器）的制冷端在箱内特点位置制造一个“冷点”通过定点凝露的方式将潮气中的水分凝结并通过排出箱体，再通过加热端将冷凝干燥后的空气加热排入箱内，根据焓湿变化原理，制冷器制冷端的制冷量不大于散热端的散热量，而退水后的干空气热容量小于脱水前的湿空气。所以除湿装置的出口风温会大于入口风温，对于整个箱体而言，“冷点除湿”实际相当于一个加热器脱水装饰，实现箱体内循环除湿加热功能。此种方法直接针对箱体内部的水分，可将水分排出箱体，而所产生的温升实际上相当制冷器的有功消耗，相对于大功率的加热器，此种方法的温升相对较小，能够基本满足室外箱体干燥常温的工作环境要求。

2.2 “冷点”除湿方法与加热除湿方法的焓湿图对比

为了更清楚的对比“冷点”除湿与加热防凝露两种方法的效果，用焓湿图进行两个方式的工况变化模拟。假定室外箱体为密封状态，箱体内温度为26℃、相对湿度90%、含湿量19g/kg，总体焓增4kJ/kg（总体热力学耗能）两种温方式焓湿图变化情况如下：

如图1所示，加热器驱潮工作时，加热器附近气体经过A过程水分含量未发生变化，相对饱和度随着温度变化从90%下降到70%。如图2所示，当“冷点”除湿器工作时，除湿器附近气体首先经过B过程，水分含量未发生变化，相对饱和度随着温度下降到达100%，而后经过C过程，部分水分在冷凝器上凝结排出，含水量从19g/kg降到16g/kg，最后经过D过程，在散热器上升温，温度升至37℃左右，相对饱和度为40%。

经过对比可知相同“冷点”除湿器工作中气体含水量下降，箱体内气相对干燥、且更加节能。

2.3 “冷点”除湿方法的注意事项

对“冷点”除湿装置在使用过程中需注意制冷方式选择、气体循环控制、启动湿度控制三个方面，具体说明如下。

制冷方式选择：现有的制冷形式有压缩机制冷、光化学制冷和电子制冷几种，理论上讲任何一种制冷形式都可以满足上述工作要求，但针对本文说描述的室外箱体，以电极制冷作为合适。如选用压缩机制冷，不仅造价高，在压缩机工作时会产生震动，对箱体内二次元件会产生影响，如果以氨等危化品作为制冷剂会存在还安全隐患。如选用光化学制冷，首先产生的温差较小，凝露脱水效果不佳，且制冷装置不易小型化，而光化学制冷剂通常为危化品，一旦发生泄漏对损害箱體内二次元件。本文建议选用电子制冷，该方式制冷器通过电效应制冷，不需要制冷剂，且体积小、制冷温差大，对箱体布局影响小，便于后期改造安装。

气体循环控制：“冷点”除湿装置工作原理时需要不断的有湿空气接触制冷端冷凝，并将脱水后的干空气不断送入散热端加热，以此保证除湿连续性，需注意空气流动方向不能反，空气流动不宜过快或过慢，如先经过散热端后过制冷端，则不能实现凝露脱水。如空气流动速度过快则不利于气体热量交换，降低凝露效果。流动过慢则会在制冷和散热两端形成温度极值，不利于除湿装置使用。

启动湿度控制：在装置控制中建议参与湿度控制装置启动，不采用长期运行的方式。因为任何制冷器都有一定的工作寿命和最低制冷度，如设备长期投入使用则一方面会降低设备使用寿命，另一方面在较低的湿度下启动制冷器，因制冷温度有效，会使凝露效果不佳，很难除湿。且箱体内出现高湿情况通常在特定时期，正常情况下只存有低量的的水分，这对箱体内二次元件影响不大，故不必要使除湿装置长期运行。

散热、散冷器选择：为了保证装置正常运行，且保证出口风温事宜，应根据箱体具体情况选择散热器与散冷器，但基本原则是散热器换热量应大于散冷器换热量，如散热器换热量小于散了器，会导致装置寿命下降，散热器越大出口风温越大。但散热器过大，会占用更大的空间，不利于装置安装。换热计算公式如下：

Q=A*K*ΔT

Q：换热量

A：有效换热面积

K：传热系数

ΔT：温差

3 治理效果及意义

该方法已经在北京地区500kV变电站进行试用，试装设备在雷雨季节未发生箱内湿度过高的现象，相对于未试装的箱体，“冷点”除湿装置能有效提高室外箱体干燥程度，提高设备安全稳定运行能力。随着一次电力设备逐步改进，变电系统短板已逐步项室外箱体内二次设备转移。究其原因，皆因室外箱体二次元件工作环境恶劣所致，如果“冷点”出发方法能在系统中得到推广，将势必提高二次系统整体绝缘水平、降低二次故障发生率、改善变电系统整体运行工况，对于提高变电系统整体安全运行水平、降低变电站运行工作量具有积极影响。