基于在線采集技術的開關柜濕度數據研究

吳英俊 馬麗軍 鄭悠 吳禮剛

摘 要在我國沿海地區，由于空氣濕度高，造成金屬封閉高壓開關柜內露水凝結，材料絕緣性能下降，因此經常發生開關柜爆炸事故。本文利用自制的多路溫濕度在線測量系統實時獲取開關柜內濕度的數據，進而對柜內濕度分布規律進行研究。

【關鍵詞】濕度分布 金屬封閉開關柜 凝露 遠程多路溫濕度采集系統

1 引言

高壓開關柜是電力系統非常重要的電氣設備，封閉式高壓開關柜以其安全可靠、結構緊湊、占地省、操作方便等優點，現已廣泛應用于供電系統中。但是由于開關柜內部大量采用有機絕緣材料及過于緊湊的布置、高度的密閉性，當開關柜內的空氣濕度很高時，水汽會與開關柜內部的金屬和絕緣材料等相對氣溫較低的物體發生接觸，會以凝結出水珠覆蓋在絕緣材料表面，產生凝露，使電氣絕緣性能下降，引發設備絕緣閃絡和腐蝕零件，從而給開關柜的安全運行帶來隱患。

為此電力公司通常采取在開關柜內增加加熱棒和電扇，放置除濕機，柜頂加裝百葉窗等幾項措施來降低開關柜中電氣設備周圍的濕度，避免凝露現象。然而，通常對開關柜濕度的來源和分布的認識往往是基于長期經驗的估計和對事故開關柜的檢測結果的分析，以此得到的結論有一定的局限性，除濕的客觀效果及效率也較差。因此，迫切需要通過深入研究開關柜濕度來源和分布對現有的除濕措施進行評估，提出更好地防凝露、結露的方案。

2 金屬封閉開關柜內濕度測量

2.1 溫濕度與凝露的關系

溫度與濕度是水蒸氣發生凝露的直接原因。在開關柜內部溫度不變的情況下，開關柜內部空氣的相對就濕度越大，水蒸氣在開關柜柜壁表面越容易凝結。即水蒸氣凝露速度與開關柜內部空氣濕度成正相關。在空氣相對濕度不變的情況下，只要空氣中的水蒸氣溫度低于此濕度下的露點溫度，水蒸氣就會發生冷凝現象。環境溫度越低，冷凝速度越快，開關柜柜壁表面就越容易發生結珠現象。

因此，為了減少開關柜內部發生冷凝現象，就必須實時監控開關柜內部的溫濕度。

2.2 溫濕度在線采集系統

在設備方面，為了實時地和準確地采集開關柜內的濕度和溫度數據，設計和制作了一套基于GSM的遠程溫濕度在線采集系統。本系統包括三個部分：高精度的溫濕度傳感器，遠程數據傳輸模塊和PC端的數據中心，其系統框圖如圖1所示。

溫濕度采集模塊采用的是AM2305溫濕度傳感器，濕度的精度可達±2%RH，溫度的精度可達±2℃，符合實驗的要求。遠程數據傳輸模塊以STC89C52單片機為主控，負責多路溫濕度傳感器或PC機同GSM通信模塊之間的數據和命令交互，以及GSM模塊的初始化工作。GSM通信模塊采用華為GTM900C，支持短信模式和GPRS模式，具有較高的穩定性。PC端的數據中心基于Labview平臺開發，通過串口接收下位機發來的數據信息，并在服務器中保存和顯示。

3 實驗方案設計

為了獲得詳實有效的實驗數據，擬設計實驗方案如下：帶電開關柜，耐火泥無孔，除濕機和加熱器工作，探頭在不影響開關柜工作的情況下盡可能均勻分布安裝。實驗場地為蔡郎變。蔡郎變是一個35KV的主干變電站，多次發生凝露引起的開關柜爆炸。在這個測試場地可提供爆炸多發區開關柜運行狀態下的溫濕度的變化。為了進一步增加典型性，特別選取了一個剛爆炸過的開關柜放置溫濕度探頭。蔡郎變溫濕度探頭的分布如圖2所示?？紤]到后艙是爆炸主發點，1-15號探頭從底部至頂部均勻安置于后艙，16，17號探頭安置于前艙，19號探頭安裝于艙外用于觀測環境溫濕度。除濕機和加熱器位于柜內右下角處，即探頭3附近。

在采集時間方面，由于柜內的密封性較好，空氣流通緩慢，因此將10分鐘作為最小采樣間隔來采集數據。

4 實驗結果及分析

根據我們對采集數據的分析，地溝和外部環境濕度的變化都和天氣變化有密切的關系，強烈的天氣變化會帶來較大的濕度變化，因此我們特地選取天氣為“多云-雨-晴”的連續三天的數據做相關分析。實驗結果及相關結論如下：

圖3是三天中固定時間間隔18個探頭的濕度值。

從圖3中的總體趨勢來看，開關柜后艙下部及中下部的探頭1點到8點點濕度基本一致，中部的9點和10點位過渡點，占據的開關柜后艙中部及上部的探頭11點到15點濕度基本一致。為了進一步證實這個趨勢，計算了后艙各探頭濕度在這三天中的和探頭1（開關柜后艙底部防火泥附近）及探頭13（開關柜后艙頂部百葉窗附近）的相關性，結果如表1所示，探頭位置由低到高排列。

由表1可見，第一天由于后艙底部的1點和后艙頂部的13點相關性較差（底部濕度較高），造成1點和2點至9點的相關性較強（0.93以上）而和11點至15點的相關性較弱（0.4左右）；但13點和11點至15點的相關性較強（0.93以上）而和1點至9點的相關性較弱（不到0.5）。10點作為過渡點，其和1點及13點相關性一般（0.88，0.72）。

也就是說在加熱和除濕條件下將整個后艙內濕度空間分為上下兩部分，絕緣擋板及以下自成一個濕度體系，受加熱和除濕的影響；絕緣擋板以上自成一個濕度體系，濕度受頂窗影響。下雨時，柜外大氣濕度通過柜頂窗口迅速向柜內滲透，造成后艙上部濕度迅速提升，雨后天晴，濕度通過頂窗迅速散發。

5 結論

本文設計了金屬封閉開關柜內溫濕度狀態監測及評估試驗的方案和步驟，通過分析實際運行開關柜內不同時間段和不同天氣溫濕度數據，發現在加熱和除濕條件下將整個后艙內濕度空間分為上下兩部分，絕緣擋板及以下自成一個濕度體系，受加熱和除濕的影響；絕緣擋板以上自成一個濕度體系，濕度受頂窗影響。下雨時，柜外大氣濕度通過柜頂窗口迅速向柜內滲透，造成后艙上部濕度迅速提升，雨后天晴，濕度通過頂窗迅速散發。

因此在接下來的研究中，我們將著力分析和研究地纜溝的水汽對柜內溫濕度的影響以及除濕機和加熱器對柜內溫濕度的影響。同時，擬通過應用有限元分析軟件ANSYS對在不同位置的除濕機和加熱器情況下柜內的潮濕空氣流動情況下進行仿真分析，為金屬封閉開關柜內凝露機理及解決措施研究供有利參考與指導作用。

（通訊作者：鄭悠）

參考文獻

[1]周加斌，陳玉峰，朱文兵.濕度對高壓開關柜內絕緣影響的試驗研究[A].中國電機工程學會，2013年中國電機工程學會年會論文集[C].中國電機工程學會，2013，6.

[2]李英奇，王戰紅，梅超美.一起開關柜凝露閃絡事故分析與預防措施[J].陜西電力，2009，04：51-53.

[3]麥琳.環網柜防凝露方法探討[J].科技風，2013，（22）：23-29.

[4]溫定筠，呂景順.35kV開關柜燒損事故分析[J].電工技術，2014，10（10）：22-23.

[5]耿偉，魯永.一起35kV開關柜內部受潮放電的原因分析[J].電氣開關，2008，4：65-66.

[6]沈海平，勇明.物聯網技術在高壓柜溫濕度監控系統中的研究[J].電力系統通信，2010，31（12）：51-55.

作者簡介

吳英?。?971-），男。現為國網浙江省電力公司寧波供電公司高級工程師。研究方向為電力系統繼電保護。

通訊作者簡介

鄭悠（1981-），男?，F為寧波工程學院電子與信息工程學院講師。主要研究方向為故障診斷和智能電網。

作者單位

1.國網浙江省電力公司寧波供電公司 浙江省寧波市 315000

2.寧波工程學院電子與信息工程學院 浙江省寧波市 315000