基于無線傳感器的電纜溝除濕技術研究

周建勇 高峻 黃國華 孫偉 邱閆

摘要：配電室電纜溝的除濕技術一直都是電力運維工作所思考的重要內容，由于配電室需要對較大范圍地區內進行配電輸電，所以電纜數量非常多，也就使得電纜溝數量多，面積大，而為了減少電纜之間的相互影響，電纜溝的排布也相對分散，這就使得電纜溝的濕度和溫度存在一定的差異，在溫度較低，濕度較高的電纜溝中，水蒸氣受到物理作用影響，會緩慢凝結成水珠，這會直接引起配電室暴露在外的金屬開關等出現短路，引發事故，另一方面，凝露被電離成氫、氧離子，又會對電纜的絕緣保護層造成侵蝕，所以需要對電纜溝進行除濕。本文研究了基于無線傳感器的電纜溝除濕技術，主要是利用ZigBee通信協議，通過無線傳感器收集電纜溝的溫度濕度信息，然后使用變頻技術控制冷凝壓縮機，實現 PI 除濕控制算法，確保電纜溝的高效除濕。

關鍵詞：無線傳感器;電纜溝;除濕技術

引言

配電室是電力系統的重要組成部分，負責整個地區的電力配置和調節，而電纜溝作為配電室功能實現的基礎內容之一，對其進行嚴格的管理控制，防止其出現損毀侵蝕是電力運維工作中具有重大意義的工作。其中，電纜溝除濕就是一項基礎但是作用明顯的措施。電纜溝由于大多位于地下，所處環境中的空氣濕度更高，溫度更低，所以空氣中的水蒸氣也就更加容易凝結成為小露珠，盡管電纜外部有絕緣層包裹，不會因為露珠出現電路短路的問題，但是對于電纜暴露在外的金屬開關部分，露珠就有導致其短路的風險，再加上電纜的尖端放電效應，使得露珠被電離成為氫氧離子，而氫氧離子在高壓電的環境下，能夠逐漸腐蝕電纜的絕緣層，造成電纜損壞，出現短路或者接地等情況，嚴重影響到用電安全和電力資源管理。所以利用無線傳感器構建濕度、溫度感應系統，然后利用變頻冷凝壓縮機進行除濕，進而保障電纜溝的濕度處于合理的范圍，就是一種非常有價值的技術。而zigbee通信協議是一種短距離無線傳輸中成本低，耗能低，效率高，可接入網點多的協議，非常適合于電纜溝除濕的無線控制，利用zigbee協議，能夠實現電纜溝除濕的自動化和數字化管理。

1.國內除濕研究現狀

國內常用的除濕技術包括：吸收式除濕、吸附式除濕及冷卻式除濕三種，其基本的原理是吸收水分，吸附小水珠和冷卻之后排出。在除濕技術的應用領域方面，主要用于建筑室內除濕降溫，食品生產過程除濕滅菌和車間生產除濕，空氣中的濕度過高不僅會給人造成悶熱，潮濕的不良感受，還會對電路，金屬物品造成影響，所以除濕技術在國內的應用還比較廣泛，而對于電纜溝除濕，國內的研究成果相對較少，在中國知網上以“電纜溝除濕”為關鍵詞，一共搜索到33篇相關的文獻，其中學術期刊類29篇，學位論文1篇，其他類型3篇，這說明國內對于電纜溝除濕技術的研究還處于不夠成熟的階段，這也是本研究的主要研究意義之一。

2.除濕方法的選擇

通過對國內常用的除濕技術進行篩選分析，結合電纜溝的實際環境情況，充分研究了國內外常用除濕技術在電纜溝除濕中的可行性和成本，以及除濕效率，最后選擇了既可以產生干燥熱空氣，又可以產生干燥冷空氣的除濕方法。能夠產生干燥熱空氣的選擇原因是，當電纜溝的溫度較低時，水蒸氣凝結成小水珠的概率就會增大，而通過加熱空氣，一來可以促進電纜溝水分的蒸發，二來可以稀釋空氣中的水蒸氣含量。當電纜溝的溫度和濕度較高時，則采用產生干燥冷空氣的方法來除濕，適當降低環境溫度能夠減少水分子的電離，避免腐蝕電纜外殼，而且溫度高的時候，分子熱運動加劇，外界的水蒸氣更容易進入到電纜溝中，所以需要適當降低環境溫度。因此選擇這個電纜溝除濕的方法，并且這個方法的成本比較低，只需要鼓風機和壓縮機和冷凝機就可以實現，跟一般的家用空調系統是相似的，除濕的效率很高，能夠達到快速除濕的目的。

3.系統總體結構設計

采用上述的電纜溝除濕方法，打造 無線除濕技術，需要先對整個技術的總體結構進行設計。該技術一共分為信息采集層，信息分析層和除濕操作層三個主要層級。此外，還分為主站和兩個從站，主站負責信息的分析處理，并且控制兩個從站進行采集工作與除濕工作，起著主導作用，主站的包括主機、接收器和計算機處理系統。從站分為A、B兩個從站，各自負責一定區域內的除濕和信息采集，以提高電纜溝除濕的效率。在信息采集層，利用無線傳感器設備采集電纜溝的濕度和溫度信息，然后利用zigbee協議傳輸到主站接收器上，信息采集層的采集指令由主站主機下達，采集工作由從站的設備完成。信息分析層主要是主站的工作，利用采集層采集到的信息，結合計算機算法與大數據數據庫，對電纜溝的空氣濕度和溫度進行評估，判斷需要采用何種強度的除濕。信息分析層不僅僅要分析采集到的信息，同時還需要根據以往的采集經驗，確定信息采集的頻率和方式，確定除濕的強度和持續時間，分析并計算一次除濕之后能夠保持多長時間適宜的電纜溝空氣濕度，信息分析層是整個除濕系統的核心。除濕操作層也是布置在從站上的，是具體開展除濕工作的系統。當主站主機下達了除濕指令之后，操作層的設備即開始除濕作業，具體使用熱空氣還是冷空氣由主站決定，除濕時長和強度也由主站決定。操作層只是簡單的機械操作，負責執行主站發出的指令。

4.硬件系統設計

本研究設計的電纜溝除濕技術所使用的硬件主要包括若干個無線傳感器，使用DHT11傳感器，因為其具有溫濕度一體的效用，并且是數字傳感器，方便進行信息的無線傳輸。接收器采用市場上常規的無線傳感器接收器即可，本次使用的是KNW307P001-ZPK，其接收能力較強，抗干擾能力強，功能穩定。zigbee模塊元件，采用CCS2530元件，能夠支撐電纜溝除濕技術的傳輸距離和傳輸效率需求。除濕器，除濕器是本系統的核心組件之一，需要選用質量好，除濕能力強，能耗較低的類型，本次選用的是YNEN-CS3除濕器，需要兩臺以上，建設在從站的除濕板塊。節點控制器系統，采用西門子PLC系統，主站使用主站 S7-200 smart sr30+ZigBee 協調器節點。此外，硬件系統還包括SMART700IEV3的觸摸屏，用于主站操作除濕器，在從站也可以建設，可以直接不經過主站控制除濕器。還有ASD16的水浸傳感器，放置在電纜溝內，檢測電纜溝的濕度是否合理。

對于這些硬件設備，主要分為四個大板塊進行設計和安置。即主站板塊，zigbee板塊，除濕板塊和溫濕度板塊，主站板塊主要使用西門子PLC系統的主機，觸摸屏等設備，負責處理信息和下達指令，對整個除濕系統進行直接控制。zigbee板塊主要就是使用zigbee模塊元件，安裝模塊之后才能夠利用zigbee協議進行無線傳輸。溫濕度板塊則使用溫濕度傳感器，采集電纜溝的溫濕度信息數據。除濕板塊使用除濕器，也可以選擇安裝觸摸屏，通過PLC系統可以將除濕器直接和從站觸摸屏進行連接，這樣就可以直接在從站控制除濕器，能夠節省一定的時間。

5.軟件系統設計

軟件系統的設計路徑如下圖所示，最主要的軟件內容就是zigbee協議的安裝和應用，當前市面上有很多相關的軟件可以使用，所以軟件系統建設相對簡單。軟件系統需要實現的功能主要包括操控傳感器采集信息，對傳感器采集的信息進行分析和計算，根據計算結果對除濕器發出指令，控制除濕器工作，進行電纜溝的除濕。控制傳感器采集信息主要通過zigbee協議實現，而對采集的信息進行分析計算通過計算機算法實現，具體的算法根據所采用的軟件不同會有所不同。而對于除濕器的控制也是通過zigbee協議和PLC控制系統實現的，搭建軟件系統主要是在主站主機上進行相關內容的設置。

6.測試結果

對該電纜溝除濕技術進行測試，選擇在相對濕度為70，溫度為32度時進行測試，設定除濕之后的溫度為28度，相對濕度為40，最終，測試發現，在起始條件下除濕到設定值所需要的時間為半個小時，測試結果符合預期，說明本電纜溝除濕技術滿足實際的需求。

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