高压柜内干空气正压交换及露点检测控制系统研制

苏和等

摘 要：文章对变电站高压柜内目前存在的问题和现状进行了介绍，并探索高压柜柜内湿气解决的方法，与此同时，分析了洁净干空气正压交换系统研发的相关内容，以及对安装施工方法进行简要叙述。希望可以为今后的相关工作提供一定的供鉴，为相关行业的发展提供依据，仅供参考。

关键词：高压柜内；露点；检测控制系统

1 变电站高压柜内目前存在的问题和现状

目前变电站的高压柜运行中，放置高压柜的电缆层（沟）内常有积水、湿度很大，造成高压柜内凝露现象很普遍，严重影响设备的安全运行。事实是仅仅依靠在高压柜外部环境即高压室内加装空调或除湿机并不能有效的阻止湿气进入高压柜，不说市场上的除湿机在高压室不封闭的情况下工作能效有多少，且湿气大都是由地下电缆层（沟）进入高压柜内的，部分柜内也安装有加热模块，但是实际情况是高压柜内无法做到真正的密封，不仅与电缆层（沟）之间有缝隙，而且柜侧面都有约3mm缝隙，手车室、母线室、出线室等全部相通的，加上柜体之间用螺帽固定，中间要多空出一个螺帽的距离，所以湿空气也可以直接通过柜体之间的空隙进入高压柜内。同时柜与电缆层（沟）之间是用防火泥封堵，加上电缆层（沟）与室外相通，并地处地下，湿度直接在电缆层（沟）内增大，防火泥本身是一种含湿材料，加上柜底部封板之间形成微小缝隙，致使湿气进入高压开关柜。另外主变室温湿度比较高，大量湿气通过相同的母线桥架进入高压柜内的母线室，也会造成相间短路，引起安全事故。

高压柜凝露问题分析：我们考察了很多在用的高压柜，并且在无锡市益能电力电器有限公司高压柜生产过程中做了大量的调查。研究表明：比如20kV尺寸在1.5m*0.8m*2.1m（长*宽*高），分上下两层，上层为母线端，下层为进线口，且连着电缆层（沟），两层之间有隔断，但不是封闭的，母线排面上有多个20mm的圆孔或者长孔，且与室外或主变室相通。

由于高压室不是封闭的环境，受环境因素影响，自身不能从根本上解决柜内湿度过高问题。同时高压柜与电缆层（沟）之间并不是完全隔离的，高压柜本身在底部的四周和柜与柜之间就有很多空隙。虽然高压室内可能有空调和除湿机，但是特别是梅雨季节及春夏季节，空气中湿度很大，由于经常下雨，地下水很多，因此放置高压柜的电缆层（沟）内常有积水、湿度很大，造成高压柜内凝露现象很普遍，从而引发重大事故。

我们研究表明：密闭空间内露点及含水量是不变的。

露点温度Td是指当蒸汽分压保持不变时，湿空气达到饱和时所对应的温度。

一般把0℃以上称为“露点”，把0℃以下称为“霜点”。

露点本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。在100%的相对湿度时，周围环境的温度就是露点。露点越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥，露点不受温度影响，但受压力影响。

用露点可以检测渗透压：透过露点就可以知道出空气中的水汽含量，因而露点是一项绝对湿度的指标。而在天气图上，一般都以露点来表示气象站的湿度。露点亦会被用作计算引擎结冰以及出现雾的可能性。

假设我们的办公室是密闭的空间，早上来办公室温度9.1℃，湿度56%，露点0.8℃，含水量4.05g/kg；开了空调，空调口温度36.3℃，湿度11.2%，经查表露点还是0.8℃，含水量为4.09g/kg。因此可以得出结论：密闭的空间内，在水份没有发生变化的前提下，空气中的露点及含水量是不变化的。

理论上可以这样认为在密闭的绝热空间内，局部有加热器，只是发生空间内空气温度发生变化，气相没有变化，所以水份含量没有变化，那么露点肯定不变。

在恒压下对物质加热，则物质吸热后温度升高，ΔH>0，所以物质在高温时的焓大于它在低温时的焓，所以焓是增加的。但是熵在可逆绝热过程中不变，在不可逆绝热过程中单调增大，这就是熵增加原理。

因为可以得到的结论是：密闭的空间内，放制加热器，空间内的露点及含水量是不变化的；焓是增加的，熵（整个过程是可逆绝热过程中）是不变的。

2 高压柜柜内湿气解决的方法探索

事实证明通过外部控制柜内的湿度不行，柜内加热器也不能解决柜内的凝露问题，那就必须想办法直接控制高压柜内的湿气和露点。

我们对市场上现有的各类除湿设备进行测试，而测试箱体为半个文件柜（0.38立方米的），大概普通高压柜的十分之一大小，两个门都是漏风的，柜右内上角开小孔为进气口；柜内保持正压力，柜外空气不可能进入柜内，充入柜内的空气从柜缝及边框处流出柜外。 柜左内下角放置温湿度传感器（为死角）。

各种除湿机测试数据如表1所示。

测试结果显示目前可行的能解决高压柜的湿度问题的除湿设备只有能生产出低露点的转轮除湿和分子筛气体分离装置。

针对此问题我公司设计了高压柜洁净干空气正压交换系统，已制作一套测试箱体为半个文件柜（0.38立方米的），两个门都是漏风的，柜右内上角开小孔为进气口；柜左内下角放置温湿度传感器（为死角）。通过对外部空气的冷却除湿处理，高压将处理后的干燥空气持续送入高压柜内，使高压柜内始终保持在低于柜外10%RH的湿度差，露点差低于柜外露点5个点以上，从而保障高压柜的安全运行。

3 洁净干空气正压交换系统研发

分子筛气体分离装置能够出生比较低的露点气体，但是产气量比较小，成本很高，设备很大，不太适合高压室内使用。因此，考虑使用瑞士进口的转轮组成的洁净干空气正压交换系统，送气量可以比较大，设备也可以小型化，比较适合高压室内使用。

根据空气热力学参数，比如：一个大气压下，露点-10度，饱和湿空气的分压为260Pa；露点0度，饱和湿空气的分压为611Pa；露点10度，饱和湿空气的分压为1128Pa；露点25度，饱和湿空气的分压为3169Pa；露点40度，饱和湿空气的分压为7381Pa。

我们总结出来：低露点的空气里水气的分压很小会产生反渗透作用。

从上可以看出来露点越是高湿空气的分压越高，是成倍增加的；露点越低，湿空气的分压是成倍减少的。主要是湿空气的分压在起作用，湿气是无处不在；那么能产生露点越低的干空气送入高压柜内，含有的水分越少，水气的分压更低，就会产生反渗透作用，而除湿效果更好，柜内保持的露点更低。最后总结出来：低露点的空气里水气的分压很小，会产生反渗透作用更强。而高压柜的大小送多少正压气体才可以完全做到柜内没有死角，使柜外湿空气完全不可能进入柜内，是需要解决的问题之一。

经过长期反复送气量测试箱体半个文件柜（0.38立方米的），大概普通高压柜的十分之一大小，可以得出结论：在送入空气露点与柜外露点差为8-10度的前提下，每小时连续送气量为8-10倍的柜内体积，送气压力大概400Pa为佳，则可以保证柜内除湿没有死角，柜内外露点差为5-6度，完全使柜内达到很干燥状态，避免有柜体凝露发生。

经过2年多反复试验及论证，我们设计出了高压柜低露点洁净干空气正压交换系统。

具体工作原理如图2所示。

3.1 空气过滤部分

（1）过滤器为板式或袋式。过滤效率符合GB/T14295-93。

（2）过滤器有效过滤面积大，容尘量大，阻力小，通风量大；框架及支撑架均可重复使用，更换过滤器时仅需更换过滤袋，且方便快捷，大大降低运行成本费用。

（3）过滤器滤料为阻燃型涤纶无纺布，过滤装置采用快速装置、压差显示。由易拆装的固定卡安装在密封的活动框架上，避免未经过滤的空气流过。

3.2 空气冷却部分

该部分为压缩式冷却器，当外部空气温度高于18-20℃时就启动冷却器，外部空气经过过滤部分过滤后，再经过压缩式冷却器处理，使空气温度降至9℃-14℃，再送到转轮除湿机进行除湿，其功率为0.9KW，制冷功率为2.5KW。

3.3 转轮除湿部分

该除湿技术是将由特殊复合耐热材料制成的波纹状介质构成，并载有干燥剂的蜂窝状干燥转轮，转轮在旋转时，持续重复吸湿再生动作，不影响空气流动，连续不断地提供超低露点的干燥空气。除湿转轮由含有高密度封填料的隔板分为两个区：一为处理空气端270度的扇形区域；一为再生空气端90度扇形区域。

除湿转轮在除湿过程中，不断缓慢转动。当处理空气区域的转轮270度扇面吸收或吸附了水分子，变成饱和状态后，将自动转到再生空气区域的90度扇面，进入再生过程。在再生过程中，再生空气经加热后，进入转轮再生区扇面，在高温状态下，转轮吸收或吸附的水分子被脱附，散失到再生空气中。再生空气由于在脱附过程中散发了热量，自身温度降低，变成了含湿量较大的湿空气。湿空气则由再生风机排至高压柜外。

在上述边除湿边再生过程中，空气不断除湿，转轮不断被再生，如此反复，连续除湿。转轮的转速很慢，一般以12-24周/小时的转速转动，能耗极小，处理空气的含湿量可低于0.0007g/kg。

经过转轮除湿机除湿，可除去空气中70%的湿度，转轮除湿机的出口空气的露点比进气空气的露点低10-15℃。（图3）

优点：

（1）应用了蜂巢式硅胶转轮进行吸湿的过程中同步对吸湿后的吸附剂进行再生脱水处理，可循环使用，整个吸湿工作可以连续进行。克服了压缩机式除湿机（大约10℃以下就不能工作）不能连续除湿且在低温低湿情况下无能为力的缺点。

（2）该装置可以工作在零下30℃状态下，能够持续除湿工作。

（3）可连续提供冷却除湿方式无法实现的露点在10℃以下的超低湿度的干燥空气。

（4）结构简单，驱动部简单，只需除湿转轮、再生用加热器和送风机运转，即可得到干燥空气，所以操作简单。另外，它属于干式除湿型，无需补充吸湿剂，维修保修方便。

（5）在清洁的空气环境下，除湿转轮的性能几乎不会下降或退化，可胜任长年的连续运转。

（6）由于采用陶瓷硅胶材料，在吸湿过程中安全，环保，洁净，无飘逸粉尘及无腐蚀作用。

（7）该装置可壁挂，也可平放，安装方式多样化。

核心部件：蜂窝式转轮。转轮采用瑞典PROFLUTE品牌，进口材料，超级硅胶转轮，吸湿性强，厚度为200mm，直径为300mm，具有高达82%的活性硅胶上胶率，保证除湿机转轮出色的吸湿能力。高效硅胶转轮是用无机陶瓷纤维加陶瓷原料烧结成蜂巢状圆柱体精密切割而成，整个转轮就是一个高效吸湿体，再生可达140℃以上加热温度。可以处理100%湿空气并且不脱落，不变形，可以多次清洗。

3.4 高压离心风机送风部分

为了保持高压柜内的湿度始终保持在低湿环境中，需要不间断的向柜内送干燥的空气，经高压柜体积十分之一大小模型反复测试，每小时送气量为高压柜体积的8-10倍，所有经过除湿转轮处理加热后的干燥空气就用高压离心风机送入柜内，保证高压柜内无死角。该高压离心风机最大压力为1000Pa，最大流量为500m3/h，无油。根据计算，风压1000Pa，经过转轮除湿部分损失600Pa，再经过1米的管道损失风压2Pa，而按照5米的管子计算也就损失10Pa，剩余风压完全满足持续向高压柜内送干燥空气。

3.5研发制作的吸附式转轮除湿机测试数据

吸附式除湿轮为转轮除湿机的核心部件，以高强度绝热材料为基材，加工成蜂巢状管道结构，复合吸附剂均匀生成在基体上形成一个巨大的吸附表面，密封装置将转轮分为270°扇形的除湿区和90°扇形的再生区。转轮端部周边采用正压气流及硅氟弹性材料平面密封，除湿区与再生区之间为弹性密封。需处理的潮湿空气（处理空气）由处理风机送入转轮除湿区，空气的水份被吸附剂吸附，得到相对湿度极低的干燥气流，以达到除湿的目的；同时再生空气经加热后（110～140℃）逆向通过转轮再生区，将吸附剂内的水份解吸出来并带走，恢复吸附剂的吸湿能力。转轮以18转/小时的转速缓慢旋转，整个过程为一反复除湿与再生的周期性过程，确保了连续的除湿效果，得到状态稳定的干燥气流。出口管径125mm，进口100mm。

保存的历史数据（无压缩式冷却器工作情况下）：

室内温湿度：14.1℃，45.1%，露点2.3℃； 出口温湿度25℃，9.1%，露点-9.0℃

室内温湿度：27.7℃，72%，露点22.1℃； 出口温湿度48.2℃，12.5%，露点11.5℃

室内温湿度：33℃，55.4%，露点22.9℃； 出口温湿度48.2℃，13%，露点11.7℃

以上检测表明：当夏季时，吸附式转轮除湿机的出风温度比较高，因此我们在进风口前安装了1匹的压缩式冷却器，使得吸附式转轮除湿机的进风温度下降9-14度，同时出风露点降低3-5度，保证吸附式转轮除湿机的出风温度不高于35度。

通风管道部分：通过对送气流量及流速计算，需输送空气的管道都采用Φ100mm不锈钢管加分离出Φ40mm的不锈钢接口，每个接口位置对准每个高压柜底部，用Φ40mm高温矽硅胶管送至每个高压柜出线底部。在高压柜出线底部合理安全的部位打Φ40mm圆孔，用Φ40mm不锈钢定制接头固定连接高压柜底部圆孔边处，并用螺丝固定在高压柜底部，接头部分需密封处理，再用Φ40mm高温矽硅胶管与不锈钢总管上的接头连接。然后沿着底部横梁固定Φ100mm不锈钢管各5米，向两边延伸至每个高压柜底部，然后从主机箱的2个出风口分别用Φ100mm高温矽硅胶管连接到不锈钢管上，这样可方便主机箱移动。同时按照需要可以在连接接头处加铜阀门用于调节进气量，每个接头连接处都要做密封处理，用不锈钢抱箍收紧，保证无空气溢出且可控制空气的进出。

3.7 柜内在线露点检测及控制

目前市面上的露点检测仪，主流检测方法是使一个镜面处在样品湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露（霜）点温度。它测湿精度高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴（冰晶）的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差，其存在的“在线测量困难、价格昂贵、操作繁锁、维护保养复杂、稳定性差”的问题。另有电传感器式、电介法式等方法，测量精度低，稳定性差，同时现有技术只能检测露点温度，但没有有效的控制露点温度方法，那就不能应用于一些对露点温度有特殊要求的一些场合，大大限制了其社会经济效益和应用领域的扩展。

而高压柜内露点检测及控制还是空白，但它又是非常有必要的，高压柜内露点温度可以直观的体现出柜内的凝露情况，检测并控制露点温度就可以避免柜内因产生凝露而引起的柜内设备尤其是母线排的绝缘强度降低，进而发生的绝缘件表面闪络或开关爆炸的事故，严重影响了其安全稳定运行。

本系统采用三组高灵敏度温、湿度传感器，当柜内温、湿度发生微小变化时，传感器立即能响应这一些变化。传感器监测的温湿度变化量通过变送器，A/D模块、485通讯模块及单片机控制转换成485通讯数字信号，通过现场RS-485总线将信号送至主控制器内，由主控制器进行数据处理、换算为露点温度并存储显示，同时判断是否达到凝露状态，是否启动配套设备，如风机、除湿机等。

3.7.1 系统原理

变送器敏感检测空气中温湿度量值变化，并将其转换成电信号，通过RS-485总线传送到系统主机，系统主机完成数据处理、换算、显示、存储。与设定值比较，控制报警单元与配套外接设备（如风机、除湿机等）动作。另一方面，系统主机将其数据、状态内容传送到远程计算机（中控室）。

本系统采用三组高灵敏度温、湿度传感器，分别为柜内、室内、地下，当柜内温、湿度发生微小变化时，传感器立即能响应这一些变化。传感器监测的温湿度变化量通过变送器，A/D模块、485通讯模块及单片机控制转换成485通讯数字信号，通过现场RS-485总线将信号送至主控制器内，由主控制器进行数据处理、换算为露点温度并存储显示，同时判断是否达到凝露状态，是否启动配套设备，如风机、除湿机等。

而主机显示露点则先通过检测到的温、湿度数值进行查露点表（室内空气标准露点表），如果对应的露点值相同就可以可显示出露点值。当检测到的温、湿度数值对应的标准露点表上的温、湿度数值不同，计算出最近标准露点值，加上用检测到的温、湿度数值与计算出最近标准露点值对应温、湿度数值的差值，通过露点曲线图，即以下公式计算进行修正得出。

露点修正计算公式：

湿度对数H=（log10（RH）-2）/0.4343+（17.62*T）/（243.12+T）

露点Dp=243.12*H/（17.62-H）

湿度：RH；温度：T。

通过上述检测到的温、湿度数值进行查标准露点表，以及露点修正计算公式进行修正，从而得出比较正确的实时温、湿度、露点值，保证了系统实时正确、可靠运行。

3.7.2 露点温度差控制

根据电缆层（沟）、高压柜内和高压室内三方的环境有差异，我们自主研发了通过对电缆层（沟）、高压柜内外的温湿度并计算出露点温度进行监测及实时显示。并通过对柜内外的温湿度和露点温度差对比，判断是否启动主机和冷却器。从而使高压柜内的湿度确保比柜外的湿度低10%RH以下，露点比柜外的露点低5℃以下，保证高压柜内永不结露，达到上述两个条件即可停止系统运行；当湿度差小于5%RH或露点温度差小于2℃时，保证系统重新运行工作。当然露点温度差调节是根据需要可以任意设置。

带压缩式冷却器的吸附式转轮除湿机运行由PLC程序来控制，与温、湿度、露点显示控制主机连接及控制其运行。

3.7.3 技术要点

（1）传感器。整套系统核心元件之一是传感器。温湿度传感器必须选用高精度，高灵敏，稳定的产品。

（2）传感器信号处理与工艺。针对温湿度传感器零漂大（达到满量程）的特点。变送器线路应具备零点跟踪能力。并且，变送器应考虑防止灰尘堆积。温湿度变送器国内有可靠的模块选购。同时，一般说来，系统主机带多个变送器，线路应具备动态标定能力，保证无信号时显示的一致性。

（3）系统可靠性。本系统另一核心问题是系统可靠性。除考虑信号隔离、地隔离、干扰能量吸收、降低单片机频率等等措施外，特别强调系统电源可靠性和对露点温度换算的精准性。

（4）远程传输及其它。信号处理与远程计算机进行通讯，并且可选择成熟模块如无纸记录仪连接等。

4 安装施工方法

首先，将正压干燥送风系统的主体机箱（2100mm×680mm×800mm，外观白色，框架为专用防冷桥铝合金，漏风率2%），包括转轮除湿部分、空气处理部分、过滤部分、高压离心风机部分和两个出风口安装在地下电缆层（沟）10个高压柜中间，这样保证最大低损耗的送风。且在主体机箱的内部四周加消音棉和橡胶，减少设备运行噪音和震动，并在主机箱底部加滑轮，方便移动。

然后，在高压柜的底层开一Φ40mm小孔，上通高压室下连电缆层（沟），用作干燥空气送入柜内的空气管道，考虑安全距离，将孔开在高压柜的角落上，并用铜铸件固定并外加阀门，而在柜内的一侧铜铸件加铜弯头，避免如果高压柜爆炸会沿着空气管对正压干燥送风系统主机造成冲击，使其设备损坏。

其次，在地下电缆层10个高压柜中间位置，沿着横梁分别向两边固定5米Φ100mm不锈钢管，在对应高压柜位置的不锈钢上分别开Φ40mm的圆孔，靠近主机箱出风口的不锈钢管一端则分别用40mm高温矽硅胶管连接至主机箱的出风口，并用铜质紧固件收紧。而从主体机箱的2个出风口，即处理后的干燥空气经由高压离心风机送出的风口用Φ100mm高温矽硅胶管引出，连接至沿高压柜底部横梁墙面固定的不锈钢管，再通过不锈钢管出口用Φ40mm高温矽硅胶管连接到对应高压柜底部开好的Φ40mm圆孔，通过电缆层（沟）连接到高压柜底部的已装固定铜铸件和阀门的电缆层（沟）一侧进入高压柜内。空气管道持续的将机箱主体处理后的干燥空气送入高压柜内的上下层，使柜内保持在低湿低露点环境中。其次，将经过除湿转轮处理过的湿空气及再生空气通过高温矽硅胶管引出系统主体机箱，靠近外墙的则打个小孔将软管引至户外，不靠近外墙的则将软管引至水泵抽水井。

最后，在高压柜的手车室底部安装温湿度传感器，线沿着进气管由系统温湿度控制部分进入高压柜内，全部套好绝缘套，在电缆层（沟）也安装温湿度传感器，实时监测柜内外的温湿度。再在高压室进门的右手边墙面上安装固定温湿度、露点监控主机，对高压柜内、高压室内和地下电缆层的温湿度和露点进行实时监控和显示，并可根据实际情况调整参数值。

5 结束语

在我国东部及南方地区，常年温湿度比较高，特别是梅雨季节及春夏季节，空气中湿度很大。由于常下雨，地下水很多，因此放置高压柜的电缆层（沟）内常有积水、湿度很大，造成高压柜内凝露现象很普遍，从而引发重大事故。

在查阅了国内外许多资料，没有找到比较合理的方法解决高压柜内凝露问题。我们通过3年多的调查研究，用测试箱体半个文件柜（0.38立方米的），通过自己研制微型转轮除湿机及微型分子筛气体分离（无水份）装置进行长期测试，得出结论是低露点的干空气按比例一定压力下充入柜内，低露点的空气里水气的分压很小会产生反渗透作用，从而彻底使柜内不受外部湿空气侵入，并且保持柜内无死角的干燥状态。

通过上述系列研究后开发出高压柜内干空气正压交换装置；同时还研发出实时露点检测，实现了柜内、外、电缆层（沟）露点差控制柜内露点，使高压柜内始终保持在低于柜外10%RH的湿度差（可调整），露点差低于柜外露点5个点以上（可调整），从而保持高压柜内再无凝露、干燥状态安全运行。