基于多傳感器信息融合的匯控柜環境綜合治理策略

張記飛，鄒立升，郭 源，李增賀，陳 玉

（國網山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276002）

0 引言

匯控柜目前已在電力系統中廣泛應用。匯控柜為封閉式設計，在內部封閉部分易產生潮濕空氣，引發電氣短路、受潮設備放電、內部元器件霉變等問題，存在安全隱患［1-7］。由于電纜溝與匯控柜電纜進線處封堵不嚴，潮濕空氣易進入柜內，柜外溫度劇烈變化，當柜內相對濕度較高、柜內外溫差較大時，柜體內環境空氣中不飽和水蒸氣瞬間飽和，形成凝露［8-9］。

為解決匯控柜凝露問題，專家學者進行了相應研究。文獻［10］提出了溫度控制法和濕度控制法聯合防凝露的方案；文獻［11］給出了2種加強通風防凝露的方案；文獻［12］通過比較目前常用的3種柜體加熱防凝露方案的優缺點，設計了一種改進型中置柜加熱除濕裝置；文獻［13］采用低功率遠紅外加熱器配合小排量風扇的方式達到端子箱防凝露的目的；文獻［14］采用升高柜內溫度防凝露的方法。綜上所述，增加柜內溫度尤其是內壁的表面溫度以及加強柜內通風是現階段較為常用的防凝露方案。但是，上述裝置和模型缺乏對每種方案實際應用效果的定量研究。

研究凝露發生機理，分析溫濕度變化對露點溫度的影響和凝露發生原因，提出一種基于多傳感器信息融合的匯控柜環境綜合控制策略，并通過現場測試驗證控制策略的有效性。

1 凝露原理

凝露現象是指物體表面溫度下降至低于露點溫度時，內壁表面會發生水珠凝結現象。凝露與柜外和柜內的溫度、相對濕度和露點溫度等因素有關［15-16］。露點溫度是指在水蒸氣含量以及氣壓均不改變情況時，空氣冷卻至飽和空氣時的溫度。相對濕度是指在一定時間內，某處空氣中所含水蒸氣量與該氣溫下飽和水蒸氣量的百分比。計算公式為［2］：

式中：EW為水上飽和水蒸氣的壓力；RH為相對濕度；Dp為露點溫度；T為溫度。

1.1 溫濕度對露點溫度影響程度分析

相對濕度、溫度以及露點溫度之間的關系如圖1所示。相對濕度不變時溫度與露點溫度的關系、溫度不變時相對濕度與露點溫度的關系分別如圖2和圖3所示。

圖1 相對濕度、溫度與露點溫度關系

由圖2 和圖3 可知，溫度不變時露點溫度隨相對濕度增大而增大，相對濕度不變時露點溫度隨溫度升高而增大。在一定溫度條件下，相對濕度越高，凝露溫度越接近環境溫度，即環境溫度越接近露點溫度，凝露越容易發生。即凝露是否發生和溫度有關。

圖2 相對濕度不變時溫度與露點溫度關系

圖3 溫度不變時濕度與露點溫度關系

進行試驗仿真，在密閉空間內，相同溫度下，分析水蒸氣冷凝成水與相對濕度之間的關系，如圖4所示。冷凝速率與初始相對濕度成正比，相對濕度越高，水蒸氣也就越容易凝結成水。凝露發生時水蒸氣凝結成水的速率和析出量與相對濕度大小有關。

圖4 不同濕度下水蒸氣冷凝速度變化趨勢

通過凝露機理的分析發現，為消除凝露的發生，應主動控制柜內溫度，平衡柜內外溫度差。

1.2 溫濕度監測方案及測試

在匯控柜內安裝采集終端，采集匯控柜內外溫濕度等信息，并通過433 MHz 頻段無線通信將數據匯總到站內集中通信模塊，集中通信模塊為邊緣代理網關，通過以太網口將數據傳輸回站內監控平臺，監測方案如圖5所示。

圖5 監測方案

在某220 kV 變電站加裝監測裝置，在匯控柜內上下多點以及柜外安裝溫濕度傳感器，獲取匯控柜內外的環境參數，監測數據如圖6所示。

根據實際監測數據，柜內平均相對濕度為72%，平均溫度為21.65 ℃，柜外平均相對濕度為80%，平均溫度為20.5 ℃，露點溫度為15.76 ℃。

從圖6中可看出，露點溫度一直低于環境溫度，未達到凝露發生條件，現場匯控柜也未出現凝露現象。

圖6 監測溫濕度參數及露點溫度變化

2 控制策略

根據凝露發生的機理，通過監測匯控柜內溫濕度、環境溫濕度來控制柜內溫濕度，預防凝露發生。采用常規方式，計算柜內露點溫度，根據柜內外溫度、相對濕度差進行條件判決，破壞露點產生的條件，主動防止凝露的發生。采用除濕器功率為40 W，風扇功率為30 W。

匯控柜除濕裝置運行模式如表1所示。

表1 除濕裝置運行模式

風扇控制原理：1）當外部溫度低于內部溫度，開啟風扇，降低匯控柜內溫度；2）當內部濕度大于外部濕度，開啟風扇，降低相對濕度，從而降低匯控柜內露點溫度。只要滿足上述任一條件，風扇開啟。

除濕器控制原理：通過閾值設定自動控制除濕器的啟停，將匯控柜內濕度閾值設定為50%，柜內濕度大于50%，開啟除濕。

AB 聯合控制：風扇和除濕器滿足啟動條件，自動開啟，同步除濕。

停運：風扇和除濕器均不工作。

針對上述分析，設計控制策略如圖7所示。

圖7 控制策略流程

定義柜內最低溫度T0，柜內空氣溫度T1，柜外環境溫度T2，柜內濕度S1，柜外環境濕度S2，除濕器開啟閾值S3，露點溫度Td，控制策略為：

1）當T0≥T2，S1＞S2，S1＞S3，開啟除濕器除濕，開啟排風扇，關閉加熱器；

2）當T0≥T2，S1＞S2，S1≤S3，關閉除濕器除濕，開啟排風扇，關閉加熱器；

3）當T0≥T2，S1≤S2，S1＞S3，開啟除濕器除濕，關閉排風扇，關閉加熱器；

4）當T0≥T2，S1≤S2，S1≤S3，關閉除濕器除濕，關閉排風扇，關閉加熱器；

5）當T0＜T2，S1＞S2，S1＞S3，T0≤Td，開啟除濕器除濕，開啟排風扇，開啟加熱器；

6）當T0＜T2，S1＞S2，S1＞S3，T0＞Td，開啟除濕器除濕，開啟排風扇，關閉加熱器；

7）當T0＜T2，S1＞S2，S1≤S3，T0≤Td，關閉除濕器除濕，開啟排風扇，開啟加熱器；

8）當T0＜T2，S1＞S2，S1≤S3，T0＞Td，關閉除濕器除濕，開啟排風扇，關閉加熱器；

9）當T0＜T2，S1≤S2，S1＞S3，T0≤Td，開啟除濕器除濕，關閉排風扇，開啟加熱器；

10）當T0＜T2，S1≤S2，S1＞S3，T0＞Td，開啟除濕器除濕，關閉排風扇，關閉加熱器；

11）當T0＜T2，S1≤S2，S1≤S3，關閉除濕器除濕，關閉排風扇，關閉加熱器。

上述不同控制模式之間可以自適應或遠程控制方式自由切換，風扇和除濕器控制參數可遠程動態調整。

3 測試驗證

在運行工況下，匯控柜外部溫度降低，柜內濕度上升，柜內溫度高于柜外溫度，濕氣遇冷（柜門溫度低于高溫高濕的露點溫度）在柜門處形成凝露。柜體表面溫度受環境溫度影響較大，柜體與外部熱交換程度和外部的溫度成正比。因此采用環境溫度作為柜體表面溫度參照值。

在4 種不同運行模式下，選取相同時間段，分析不同控制措施效果。不同匯控柜采用的運行模式如表2所示。

表2 不同匯控柜運行模式

3.1 風扇單獨控制

選取2020年8月15日11：56—13：56，站3匯控柜溫濕度變化趨勢如圖8 所示，監測數據如表3 所示。

圖8 柜內外溫濕度及內部露點溫度變化趨勢

表3 狀態量變化

3.2 除濕器單獨控制

選取2020年8月15日11：56—13：56，站2匯控柜溫濕度變化趨勢如圖9 所示，監測數據如表4 所示。

圖9 柜內外溫濕度及內部露點溫度變化趨勢

表4 狀態量變化

3.3 風扇除濕器聯合控制

選取2020 年8 月15 日11：56—13：56，風扇除濕控制策略如圖7所示進行控制，站1匯控柜溫濕度變化趨勢如圖10所示，監測數據如表5所示。

圖10 柜內外溫濕度內部露點溫度變化趨勢

表5 狀態量變化

3.4 停運

選取2020 年8 月15 日11：56—13：56，對比匯控柜溫濕度變化趨勢如圖11 所示，監測數據如表6所示。

圖11 柜內外溫濕度及內部露點溫度變化趨勢

表6 狀態量變化

選取2020 年8 月15 日00：02—23：45，停運模式下柜內外溫濕度及內部露點溫度變化趨勢如圖12所示，通過溫濕度監測的變化曲線可以看出，溫度升高時，相對濕度下降。凌晨和夜間易發生凝露，在上午時段，柜內溫度隨柜外溫度升高而升高，且柜內溫度低于柜外溫度。柜內相對濕度雖然大于柜外相對濕度，但露點溫度變化微小，因此不會達到凝露條件。

圖12 停運模式下柜內外溫濕度及內部露點溫度變化趨勢

4 結語

從工程實際出發，通過融合多傳感器信息計算露點溫度，提出降低露點溫度的控制策略。通過現場試驗發現，增加控制措施能夠降低柜內露點溫度，風扇單獨運行能夠增加柜內氣體循環，降低柜內溫濕度，能夠治理匯控柜凝露，而除濕器單獨運行除濕效果不明顯。通過風扇除濕器聯合控制試驗，結果表明所提的控制策略能夠有效治理匯控柜凝露。