高山地区户外端子箱的环境控制及在线监测系统

卢培成

（广西卓洁电力工程检修有限公司，广西 南宁 530000）

1 项目研究背景

户外端子箱是电气设备与室内测控、保护以及通信等设备连接的中间节点。高山地区高寒高湿的特点导致户外端子箱内部潮湿凝露，二次电缆霉变等导致直流对地绝缘下降，严重时将形成直流正电源或负电源接地引起保护拒动或误动，威胁设备安全。端子排螺丝和连接片受潮生锈，使得二次端子接触不良甚至开路，造成测控和保护装置运行异常，误发信号，导致运维人员做出错误分析[1]。因此，户外端子箱设备防潮十分重要。结合高山地区环境湿度较大、运维人员较少以及现场设备防潮能力落后的现状，本项目致力于研制除湿能力强且能集中监测的端子箱防潮设备，确保设备安全稳定运行。

2 户外端子箱防潮存在的问题

变电站端子箱长期置于室外，部分柜体存在封堵不严和密封胶条老化等问题。潮湿空气进入箱体，为防止产生内部凝露，可在端子箱内装设温湿度控制器。当箱体内部温度低于预设温度时，控制器自动启动加热器进行加热，通过提高箱体内部温度破坏凝露环境。当箱体内温度达到预设温度后，加热器自动停止加热。该方式受使用加热器寿命等因素影响，箱体加热后水气仍存在于箱体中。温湿度控制器及加热器故障无法投入使用后，水汽又会凝结，如图1所示，设备运行仍存在隐患。

图1 水汽凝结

随着电力行业的发展，大型变电站户外端子箱数量甚至达到上百个，两人开展全站户外端子箱和机构箱防潮巡检将耗费2～3 h，设备运维工作量及难度不断加大。

3 半导体制冷技术

鉴于加热空气无法降低空气含水量，而气温稍加变化，加热后的湿热空气遇冷易产生凝露的缺陷，项目研究后决定采用半导体制冷技术解决该问题，原理如图2所示。

图2 半导体制冷原理图

在P、N半导体电流回路中，P型半导体在电场作用下,通过吸收外部热量来实现a处空穴的能级跃迁，进而形成P型半导体的定向流动，而b处空穴则正好相反，N型半导体c和d处情况相反[2]。由于一对半导体热电偶对吸热量荷限，因此需要由多对热电偶的串并联来形成半导体的制冷电堆，从而使半导体获得大量的制冷量。

4 内置式防凝露装置

SPR-NL-Ⅱ型防凝露装置是针对电气柜除湿并预防凝露现象而专门研制的高新技术产品，其安装应用如图3所示。采用半导体热电制冷技术，通过人为制造局部冷却点，使湿热空气在制冷处凝结并通过专用管道排出，以降低空气的湿度[3]。同时利用装置工作时自身产生的热量及辅助加热装置重新加热冷却空气，保证箱体内空气的温度不降低。通过如此循环可大幅提高空气干燥度，真正形成箱体内的干燥环境。装置安装在电气控制柜内部，与传统加热除湿相比具有无污染、无噪声、可靠性高、节能环保、组装简单以及便于控制等优点。

图3 防凝露装置的安装应用

5 电容式温湿度传感器

随着对设备稳定性及精确性的要求越来越高，电子式传感器逐渐取代原有的机械式传感器，主要分为电阻式和电容式两种。相比于电阻式，电容式的精准性高，感应速度较快，但存在易氧化的缺陷。现代电容式温湿度传感器采用独特的电极分布和镀膜技术，不仅不会氧化，还能快速吸收水分，在水分蒸发后迅速复原。电子电容式温湿度传感器的原理图如图4所示。项目要求传感器应具备精确控制和实时监测数据变化的能力，所以选用±0.3 ℃、±4.5%RH的高精度电子电容式温湿度传感器。

图4 电子电容式温湿度传感器

6 户外端子箱环境测控系统

作为变电站的重要设备，户外端子箱虽执行相应的周期性或非周期性巡检，但也无法保证每次防潮装置出现故障或端子箱内温湿度出现异常时均能巡检到位，且运维工作量巨大。因此，可利用现代自动控制技术，实时测量和控制户外端子箱环境参数，系统控制结构如图5所示。干扰因素为端子箱封堵不严或室外空气潮湿度剧增等，传感器采集并处理温湿度数据后与预设值进行比对，控制装置控制防凝露装置以达到调节环境参数的作用，进而可第一时间发现异常并及时响应处理，从而提高设备自动化程度和柜内环境参数控制的实时性，改善设备运行环境。

图5 系统控制结构图

户外端子箱环境测控系统硬件组件图如图6所示。柜门位置状态及端子箱内温湿度数据实时传输至专用集线器，防凝露装置与集线器通过RS485实现数据交换，专用集线器通过无线传输协议将其他设备联入互联网。

图6 环境测控系统硬件组件图

终端设备通过访问互联网可实现防潮设备的远程监测及控制。在接收到互联网的数据后进行分析处理和存储，并以数字化和曲线化的方式直观地显示户外端子箱的温湿度状况及参数变化曲线，并结合天气变化情况分析判断设备运行状况及端子箱密封程度。该测控系统能够监测及控制多个端子箱，采用树形结构，结构简单，每一层与上下层保持数据传输，保证数据传输的稳定性与准确性，减少维护成本[4]。

7 应用分析

通过对端子箱进行技术改造，实现了各个端子箱和机构箱内的环境测控。为测试系统性能，对升压站内部分端子箱进行测控准确性及除湿性能测试。选取110 kV出线间隔103开关端子箱作为测试对象，记录一天内每两个小时的现场温湿度值。现场采用两个机械温湿度计取平均值，并与智能终端的记录作比较，结果如表1所示。

表1 103开关端子箱温湿度对照表

由表1数据可以看出，同一时刻智能终端监测到的温度值与现场记录值差值偏差在±0.3 ℃范围内，湿度值在±3%范围内，在误差允许的范围内。可见，该系统在监测准确性上满足误差要求，符合运行条件。

为测试系统除湿控制性能，本文选取101开关端子箱及102开关端子箱进行了一天效果对比测试。户外端子箱环境测控系统控制值设置为50%RH，每30 min记录下该时刻的湿度值，通过对湿度的连续监测，分析控制系统的湿度曲线，结果如图7所示。

图7 湿度对照曲线图

从以上测试效果可以看出，本文设计的户外端子箱测控系统控制误差小于±5%。相比于传统防潮装置，它具有较为显著的防潮除湿能力，大大降低了设备运维成本，提升了设备健康状况。

8 结 论

应用结果表明，本文控制系统具备良好的监测精度及控制效果，与传统加热驱潮装置相比具有更好的除湿效果，从根本上解决了除湿后潮湿空气重新凝露的问题，具有较高的推广应用价值。另外，系统也实现了户外端子箱环境温湿度的监测，为分析防潮设备运行工况提供了有力工具，极大程度减少了运维工作量，提高了工作效率，确保设备能够安全稳定运行。