箱变凝露模拟实验及处理措施研究

何颂民

摘 要： 目前箱变内凝露的情况，以美变居多，美变内凝露比较严重，在南方一些山区风电场，经常存在凝露，多集中于小室内侧顶盖和壁板。凝露现象多次引发设备二次设备故障以及断路器误动或拒动等问题，对于电网安全运行造成较大的影响。为解决箱变凝露问题，开展了凝露相关的模拟试验，分析了凝露发生的规律，并根据这些规律制定了措施方案。

关键词： 箱式变电站；模拟实验；凝露原因；措施方案

1.箱变凝露模拟试验

1.1 试验相关说明

首先由仓库提供一台美变，并放置在试验站，在箱变高压室内布置了加湿器、加热器、温湿度控制器和抽湿机等设备，随后将门关闭，形成一个相对封闭并且无人干预的空间。通过遥控设备启停，调整柜内的湿度，来观察各设备的运行状况，观察温湿度的变化。本试验分两个阶段，第一个对象是一台有封闭外壳的美变。第二个试验对象是一个封闭的塑料仓搭建的实验舱。相关的试验历经14天，从开始调试完成，中间有一次转场。共有大8个场景的试验，其中包括两个低温凝露试验。

1.2抽湿机调节湿度实验

本试验试图验证简易抽湿机在调节湿度方面的具体作用，试验中开启了简易抽湿机进行抽湿，简易抽湿机功率约24W。实验数据表明，加湿前，空间含水率为23.555克/m3，加湿后，空间含水率增加到26.136克/m3，经过353分钟抽湿，空间含水量下降到23.002克/m3，抽湿速度约0.107克/分钟，湿度下降到73.4%之后，空间含水量反而不降反升，有一定除湿效果，但是效果不明显，初始状态抽湿效率高，之后一路下降，最后不抽不出水来。设备失效。后改为抽湿王CG2010进行湿度调节，抽湿王的功率约60W，是抽湿机的两倍多，理论上抽湿速度应比较快。通过试验数据分析：抽湿王初始抽湿效率较高，抽湿机全程运行16个小时多，在前590分钟，抽湿的速度可以达到0.1g/分钟，但是之后，基本抽不出水来，而设备关机时，空间湿度为69.9%，离设定的目标值60%相去甚远，空间含水量在设备运行757分钟后降反升，设备已经无法再有效调节湿度了。设备失效。

1.3 温湿度控制器及加热板湿度调节实验

本试验使用温湿度控制器WSK-HJB控制加热板（435W）来调节湿度，如表1所示。表1右侧为箱变外温湿度，根据温湿度控制策略，在80%湿度以上时，加热器不启动，因温湿度控制器传感器温度线松脱开路，導致加热器在上电以后一直运行，因此可以看到上述运行结果。可以看出，最初，下午室外空气温度高于室内空间，加热器运行起来后温度迅速提升并反超户外温度，最终保持温差在4.4℃左右，其最初56分钟温度提升速度为0.046℃/分钟。在其后冷却的6小时内，温差最终保持在1.7℃。此试验可以看出温湿度控制器的加热能力。但实验数据表明，当空气含水量大致不变时，其控制湿度的能力与外部受外部温度的影响非常大，外部越冷，其湿度调节能力越差，从19：43开始，湿度不降反升，因为外部空气变冷，内部空气无法维持高温，低湿度也无法继续维持。根据这个温差效应，可以维持一个相对外部空间较合理的湿度，但是需要合理计算温差值，并合理摆放湿度传感器位置。

后改用PTC加热板（600W）来调节湿度，根据温湿度控制策略，通过加热内部空气温度，降低相对湿度。试验时，室外空气温度高于室内空间，加热器运行起来后温度迅速提升，在150分钟内其温度提升7.8℃，提升速度为0.052℃/分钟，在加热的头59分钟内，升温速度为0.089℃/分钟。实验数据表明PTC加热板因其功率大，风冷散热强，加热的效率非常高。

1.4 模拟低温舱室凝露实验

由于环境温度太高，平均室温高于30℃，已经不能代表箱变典型的运行环境，特别是能产生凝露的环境。因此考虑将相关设备移入低温舱室进行试验。随后搭建一个低温舱室，拟在低温舱室中模拟设备的低温运行条件，观察封闭空间中温湿度的变化规律，并观察凝露发生的环境节点。为了制造凝露所需要的低温环境。选择在一个较封闭的场所，将一台立式空调用一块封闭的塑料布封起来，塑料布尺寸为4.6x2.5x2.5米（宽x深x高），形成一个低温舱室，然后在低温舱室中再打一个封闭的塑料布空间，该塑料布空间尺寸为2.2x1.5x1.5米（宽x深x高），模拟一个内部的空间4.95m3的实验舱室，通过降低小室外部空气的温度（低于16℃），来形成以个适于凝露的环境。如图2所示。现场依然布置若干温度传感器、温湿度传感器，并装设可以远程报警的烟雾报警器。避免极端情况下发生火灾。实际运行时采取更保守的措施，即无人看护时关闭全部的执行设备。

得益于低温舱室的搭建，实验中可以清楚的看到凝露的情况，并能大致确认凝露发生的温度。实验中，试验舱顶部空气温湿度，离空调出风口约1.5米，11：00之后，试验舱外离空调出风口约2.5米的背风位置温湿度开始降温，在大约11：33记录到凝露大面积在试验舱内表面发生，试验舱局部冷空气温度大约19.6摄氏度，在试验舱顶部的钢板内侧，探测到22摄氏度温度。根据试验初始条件，试验开始前试验舱内空气含水量大约19.57g/m3，22.2摄氏度饱和湿空气含水量为19.62g/m3，也就是说，如果空气温度突然降低到22.2℃，水蒸气应该开始凝露，实际情况是在该温度下凝露确实已经发生，空气含水量降低至15.91g/m3，在试验舱内侧塑料布上形成大量细露珠，凝露是个动态过程，没有骤然发生。预期钢板上会出现凝露，实际没有出现，原因是凝露已经在其他部位形成，厚度较小的薄膜表面温度要低于钢铁表面温度，空间含水量15.91g/m3不足以在钢板表面形成凝露条件（温度低于18.6℃）。此后12：00开始，关闭空调，试验舱内部温度一路上升，已经凝露的水也挥发，空气含水量上升，直到再次降温，湿度也再次下降。在15：00～19：00之间启动了抽湿王进行除湿，前后运行4小时。此后湿度一路下降，但是根据观测的结果，空间含水量从22.47下降到9.29g/m3，根据计算，约有65.241g水以凝露型式析出，而抽湿王也是利用凝露原理析出水，实际观察抽湿机凝露出水不足10g。因此，低温仓受外部环境影响导致水蒸气凝露析出，进而降低空间湿度。在低温情况下，空间内部湿度受外部低温影响比较严重。另外，因为抽湿王附近气温一直高于15℃，没有出现冷凝板结霜的情况[3]。

随后继续实验，早上7：53-8：13进行了加湿处理，湿度加到84.4%，空间含水量一度高达12.81g/m3，随着周围空气温度的持续降低，低温舱内部湿度也自行降低，一度低至57.5%，接近不少抽湿机的抽湿极限。说明在室内外温差比较大时，设备空间会通过在低温壁板上凝露降低空间湿度，这个过程是自动发生，没有外部干预，而且，会保持空间比较好的湿度，即低于80%。。分析可知，在无内部设备干预的情况下，湿度缓慢下降的过程，这个过程是低温自然作用的结果。

2.实验结果分析

经过多次实验，实验分析如下：

（1）封闭空间内含水量不变时，温度上升，湿度下降，反之温度下降，湿度上升。

（2）封闭空间内可以使用抽湿机进行抽湿，但是，抽湿机的效果可能因环境条件变化而失效，比如极限抽湿能力可能抽不到60%，另外抽湿机的抽湿速度普遍很低，难以持久高效抽湿。

（3）使用温湿度控制器配加热器可以有效调节空间内的湿度，但是针对封闭空间，加热器调节湿度的能力受外部温度影响较大。一般，400W的加热器可以将13立方米小室空间温度升高4.4℃，600W加热器可以将该空间温度提高7.8℃。在外部环境的约束下，加热器只能控制温度差，而湿度是空气含水量和温度工作约束的参数，加热器不能控制温度，存在局限性。此外加热器最大的优势是加热速度非常快，可以迅速降低空間内的湿度，但是随着外部空气温度的降低，这种湿度是不能保持的。昼夜温差较大的情况下，这个控制策略会失效，温湿度控制器的传感器探头安装位置非常关键，考虑到柜内不同位置温度差很大，这个问题需要重点考虑。控制点不一样，控制结果差别非常大，即便是在同一空间[4]。

（4）在低温舱室中，外部温度较低时，可以迅速影响舱室内的环境，温差足够大时，可以促成舱室内表面形成凝露，并降低低温舱室内的湿度，凝露一般发生在与低温空气接触紧密的地方。而内部空间因温度一般高于外部空间，空间内形成凝露的概率低。

（5）采用半导体制冷片的抽湿机在15度以上的温度下可以使用，但是低温时，抽湿效率非常低，对内部空间湿度的调节即慢又不明显。

3.箱变防凝露措施方案

目前常见的防凝露设计一般有以下五种方案：

（1）方案一，在非封闭空间中，配置通风窗和加热器。

（2）方案二，在非封闭空间中，配置通风窗不配置加热器。

（3）方案三，在封闭空间中，配置加热器。

（4）方案四，在封闭空间中，配置抽湿机。

（5）方案五，在封闭空间中，不配置专用的防凝露设备。

在箱变壳体中，一般采用复合板和钢板。就隔热性能来说，复合板隔热效果较好，钢板隔热性能较差。目前箱变内凝露的情况，以美变居多，美变内凝露比较严重，在南方一些山区风电场，经常存在凝露，多集中于小室内侧顶盖和壁板。

参考文献

[1]朱世民，蒋志军.浅谈变电站端子箱凝露结霜的危害和防治[J]. 科技创新与应用， 2015（33）：210-210.

[2]洪峰， 陈众， 李静漪，等. 城市箱式变电站的防凝露措施[J]. 浙江电力， 2013（9）：67-69.

[3]丁永生， 方苏， 彭欢英. 箱式变电站用隔热及防凝露外箱装置：， CN203218752U[P]. 2013.

[4]姜毅， 周成华， 郭俊峰，等. 智能端子箱防凝露控制器的研制与试验研究[J]. 高压电器， 2010， 46（8）：59-62.