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    開關柜新穎的防凝露技術

    發布時間:2020-03-05 14:51:39

    摘 要:提出一種控制高壓設備內部和外部溫度差的方法,來預防凝露的發生,這種方法用溫度傳感器來替代凝露傳感器,可大大提高電柜防凝露的可靠性,同時有良好的節電效果。 關鍵詞:高壓設備防凝露;控制溫度差;提高可靠性; 節電 

    一、概 述:新型高壓開關柜內部空間十分緊湊,為保證在高濕地區內部絕緣水平,保證裝置可靠工作,對柜內防潮、防凝露提出了更高的要求。 我國在開關柜中采用自動加熱除濕控制器防止凝露已有十幾年歷史,這種加熱除濕控制器在抗潮濕、防凝露保證高壓設備可靠運行起到了積極作用,但在有的地區應用中也出現了一些問題,例如:在南方的梅雨季節,有時開關柜內部的空氣濕度較高,甚至開關柜內局部已有結露現象,由于安裝在柜體內部的凝露傳感器位置并沒有到達凝露的程度,或者,凝露傳感器長期受空氣中灰塵和氣體侵蝕,使傳感器的靈敏度受到影響,凝露控制器不能及時地啟動加熱器。致使凝露控制的作用失靈,給開關設備的安全帶來威脅。 根據凝露發生和預防機理,提出了一種多路溫度控制裝置,用控制開關柜柜內、柜外的溫度差的方法來預防凝露的發生,這種方法可以大大提高開關柜防凝露的可靠性和工作壽命。用這種方法取代長期加熱的驅潮方式有明顯的節能效果。 

    二、開關柜常用的防凝露除濕措施及存在問題:

    2.1、常用凝露傳感器的工作原理 現在市場上所有的凝露傳感器幾乎都是同一種類型,即在一個陶瓷基板上印制一種高分子半導體電阻材料,引出兩端電極,當傳感器表面干燥時,分子間接觸電阻小,電極兩端電阻為1kΩ左右。而當高分子材料吸收水分后,其內部分子空間迅速膨脹,分子間接觸電阻變大,使電極兩端的電阻率大大增加。電子控制器通過測試電阻的大小來感知或預知是否發生凝露。例如HDP — 07型凝露傳感器,這是一種正特性開關型元件,它對低濕度不敏感,而對高濕度敏感,在70%RH ~ 100%RH范圍內阻值變化 這種類型傳感器的工作特性曲線示于圖1。從圖1(A)中特性曲線可以看出這種凝露傳感器有二個固有的特性缺陷:

    圖1 凝露傳感器與線性濕度傳感器特性曲線  

    a) 在相對濕度不高時凝露傳感器有一個離散區,在這區間對相對濕度變化不敏感而且變化的阻值也不精確,其輸出特性不但和相對濕度的大小有關,和露點溫度也有直接關系。例如:有時我們感覺到空氣中濕度很大,但加熱器并沒有啟動,這是由于傳感器表面沒有達到露點溫度(也就是在傳感器表面沒有結成水珠)的緣故。 

    b) 由于凝露傳感器必須不斷地吸入或釋放水分子,傳感器受空氣中灰塵或水份中的化學物質侵蝕后會改變靈敏度,導致防凝露的控制點出現偏差,這時會出現在濕度已是很高,凝露極易發生的情況下還沒有啟動加熱器,或者加熱啟動后長期不會自動退出的現象,這就降低了防凝露靈敏度和可靠性。 

    2.2、常用的二種防凝露方法:

    方式1:在開關柜電纜室、斷路器室各安裝一個鋁合金加熱器(一般為150W),鋁合金加熱器工作時,其表面溫度為120℃ ~ 130℃。通過空氣散熱除濕,由用戶根據工作環境狀態人工控制加熱器的投入、切除; 

    方式2:防凝露自動除濕控制器安裝在開關柜儀表室,凝露傳感器安裝在開關柜柜內,鋁合金加熱器分別安裝在開關柜電纜室、斷路器室,利用凝露傳感器的動作特性來自動啟動加熱器投入、切除。 

    2.3、存在問題:

    方式1、是靠人力完成加熱器的投入和切除,因此使用的可操作性很差,往往會出現兩個極端情況。其一是加熱投入后不關,會造成不必要耗電浪費。其二是沒有隨氣候變化及時啟動加熱器,柜內很潮濕時得不到加熱除濕,一旦發生爬電、閃絡會造成巨大損失。 

    方式2、是利用凝露傳感器自動啟動加熱器的,也存在兩個缺陷。

    其一、這種凝露傳感器是被動型動作器件,即一定要在空氣中的水汽壓力飽和時,也就是在物體表面到達露點溫度,凝露發生時才會驅動加熱工作。從檢測凝露到消除凝露這一過程可以看出:首先要用凝露傳 感器來檢測到凝露(那就一定是在凝露發生時)才能啟動加熱器。而防凝露作為一個電柜反事故重要措施來說,接近凝露的邊緣再啟動加熱來消除凝露,就缺少一個預防過程。從安全、可靠的角度來看,作為一個反事故措施在可靠性上還是遠遠不夠的。

    其二、如果凝露傳感器安裝位置不當,或者凝露傳感器的表面受到灰塵或氣體的侵蝕后特性已改變,雖然柜壁已有結露現象,但凝露控制器仍不能及時啟動加熱器投入,也會帶來嚴重后果。 因此,為了提高可靠性,電力運行單位往往會采用一些輔助手段來保障電柜的安全渡汛,如上海電力公司采用了進入霉雨季節就強制長通電加熱的辦法。這種方法,雖然加強了防凝露的措施,但也帶來了電力損耗和浪費。

     三、開關柜防凝露新方案及優越性 針對開關柜常用防凝露方法存在問題,為提高開關柜防凝露可靠性及減少電力消耗,提出了一種開關柜新穎防凝露控制方案。 

    3.1、“凝露”的基本概念及新方案依據 什么是凝露? 所謂結露現象是指柜體內壁表面溫度下降到露點溫度以下時,內壁表面會發生水珠凝結現象。這個現象稱之為結露。結露是否發生取決于室內溫度、柜內溫度、相對濕度以及露點溫度。 什么是露點溫度? 露點溫度是指在一定溫度的空氣中,水蒸汽的最大含量稱為[飽和水蒸汽量],此時的空氣成為[飽和空氣],飽和空氣溫度下降時,空氣中的水蒸氣將凝結成水珠。含有水蒸氣的空氣的飽和溫度,稱為露點溫度。請參考溫度、濕度、和露點的相關數據表(表1)。 表1 溫度、濕度和露點的相關數據表格

    按表格中數據得到圖2。

    圖2 環境溫度、凝露溫度與相對濕度曲線  從表1與圖2曲線可以看出: 

    ①在一定的溫度條件下,空氣中的相對濕度越高,結露的溫度越是接近環境空氣溫度,也就是說,環境溫度愈接近露點溫度,凝露就越容易發生。

    ②不管空氣中的溫度如何,形成結露的露點溫度始終是低于環境溫度。例如:空氣溫度20度、相對濕度60%時,結露的溫度為12度。 從凝露發生機理與表1、圖2我們可以得出結論: 

    ① 要想防止凝露的發生,必須使不允許發生凝露部位的表面溫度始終高于其周邊的環境溫度;

    ② 對開關設備而言,為防止開關柜內部發生凝露,只要保持開關柜體內部的溫度始終高于外部環境溫度即可。描述這一原理在生活中的現象就是:夏天從冰箱中取出一杯冰水,在水杯表面馬上就會結露。而從高于環境溫度的保溫箱中拿出一杯熱水時,杯子表面是不可能結露的。

    備內部發生凝露引起爬電、閃絡事故,一般發生在以下幾種情況:

    ① 地區濕度高,氣候溫度變化大,開關柜底部潮濕,有的電纜溝甚至有積水;

    ② 有的開關柜在地下室,濕度高,柜體內溫度特別是接近地面的溫度低于環境溫度;

    ③ 有的設備處于暫時停運狀態,電柜內小環境溫度就比周圍環境溫度低,在其表面就極易形成結露,在這種情況下,一旦送電投運,事故就隨之發生。 

    3.2 、開關柜防凝露新技術方案 根據上面分析,只要我們使開關柜內部的溫度始終保持高于柜外部的環境溫度,且盡量降低柜體內部的相對濕度,就完全可以預防柜內產生凝露。 為了確保柜內溫度始終保持高于柜外部的環境溫度,又要滿足節電目的,防凝露新方案的控制儀表將取消現有流行的凝露傳感器,利用多個溫度傳感器,一個測柜體外溫度;一個安裝在柜壁,測量柜壁溫度;其余的測柜體內部各隔室的溫度,通過CPU智能化控制加熱器的投切來調節柜內溫度,使開關柜內部要防凝露的部位的溫度始終比柜外環境溫度至少高2℃~3℃,使之不具備凝露發生的條件,起到預防凝露的作用。當柜體內外有2℃~3℃ 溫差時就停止加熱。當柜體內外溫差低于2℃~3℃時就啟動加熱器。由于柜內環境容積小,達到這個溫差所需的加熱功率和柜內隔倉的容積的大小有關;

    電柜內部空間不同容積的升溫/降溫模擬實測試驗:

    1、電柜空間容積:1.1m3 加熱功率:150W

    2、柜空間容積:0.5m3 加熱功:150W 柜外環境溫度:17.2℃ 柜外環境溫度:17.2℃ 柜內環境起始溫度:17.3℃ 柜內環境起始溫度:17.4℃ 加熱器通電起始時間10:12(開始加熱) 加熱器通電起始時間14:10(開始加熱) 柜內升溫到達增高3℃時間10:40(停止加熱) 柜內升溫到達增高3℃時間14:18(停止加熱) 柜內降溫到比環境溫度高1℃的時間11:12 柜內降溫到比環境溫度高1℃的時間14:4

    3、從以上實驗曲線可以看出: 

    ① 10kV開關柜母線室內部空間按0.5 m3空間容積模擬,加熱到比柜外升高3℃時約需8分鐘。停止加熱后退回到溫差1℃時約需25分鐘。如果按照這個時間控制加熱器投入、退出循環加熱,保持電柜內部空間溫度比柜外高1~3℃,加熱投入的時間約是1 : 3; 

    ② 35kV開關柜內母線室容積可以用1.1 m3空間來近似模擬。從曲線可以看出,保持柜內比柜外溫度高1~3℃,需要加熱器投入、退出的時間約為1:1;

    ③ 按控制溫差1~3的范圍,0.5 m3空間時加熱投入的時間是1/4,按1.1 m3計算,加熱器投入時間是1/2;

    ④ 如果電柜運行時產生一些熱量的話,也可以作為加熱功率的一部分,加熱時間可能還會大大縮短。因此,用150W加熱器,用溫差控制防凝露,對于10kV開關柜至少可節省3/4的加熱功耗,對于35kV開關柜至少可節省1/2的加熱功耗。 為了進一步提高防潮、防凝露的可靠性,還可以在每臺防凝露控制儀表中增加線性測量的相對濕度度傳感器??刂苾x表可在監測、溫度、溫差的同時,CPU還可以測量顯示柜內的相對濕度。根據多種參數來判別、控制電柜內部的相對濕度(超過65%RH時啟動加熱),進一步提高驅潮和防凝露能力。

     四、結 論:

    1. 我國電力系統采用自動加熱除濕控制器已有十幾年的歷史,自動加熱除濕控制器在電力系統的高壓設備運行中起到了抗潮濕、防凝露的積極作用。但在有的地區的應用中也會出現一些效果不理想的狀況,分析其原因,在很大程度上就是因為凝露傳感器其特性的局限性和使用環境的影響,致使控制靈敏度、精度產生較大偏差而引起;

    2. 有效地解決原自動加熱除濕控制方案存在的靈敏度、精度、使用壽命、電能消耗和可靠性等問題,使防凝露控制技術在安全、可靠、節能方面上新臺階、發揮新效能。

    3. 由于新方案把被動防止凝露方式,改變為主動防止凝露,無疑增加了開關柜防凝露的可靠性;另外,從傳感器壽命來說,溫度傳感器的使用壽命是凝露傳感器壽命的數十倍,防凝露控制系統的工作壽命和可靠性將大大增加


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