基于在线采集技术的开关柜湿度数据研究

吴英俊 马丽军 郑悠 吴礼刚

摘 要在我国沿海地区，由于空气湿度高，造成金属封闭高压开关柜内露水凝结，材料绝缘性能下降，因此经常发生开关柜爆炸事故。本文利用自制的多路温湿度在线测量系统实时获取开关柜内湿度的数据，进而对柜内湿度分布规律进行研究。

【关键词】湿度分布 金属封闭开关柜 凝露 远程多路温湿度采集系统

1 引言

高压开关柜是电力系统非常重要的电气设备，封闭式高压开关柜以其安全可靠、结构紧凑、占地省、操作方便等优点，现已广泛应用于供电系统中。但是由于开关柜内部大量采用有机绝缘材料及过于紧凑的布置、高度的密闭性，当开关柜内的空气湿度很高时，水汽会与开关柜内部的金属和绝缘材料等相对气温较低的物体发生接触，会以凝结出水珠覆盖在绝缘材料表面，产生凝露，使电气绝缘性能下降，引发设备绝缘闪络和腐蚀零件，从而给开关柜的安全运行带来隐患。

为此电力公司通常采取在开关柜内增加加热棒和电扇，放置除湿机，柜顶加装百叶窗等几项措施来降低开关柜中电气设备周围的湿度，避免凝露现象。然而，通常对开关柜湿度的来源和分布的认识往往是基于长期经验的估计和对事故开关柜的检测结果的分析，以此得到的结论有一定的局限性，除湿的客观效果及效率也较差。因此，迫切需要通过深入研究开关柜湿度来源和分布对现有的除湿措施进行评估，提出更好地防凝露、结露的方案。

2 金属封闭开关柜内湿度测量

2.1 温湿度与凝露的关系

温度与湿度是水蒸气发生凝露的直接原因。在开关柜内部温度不变的情况下，开关柜内部空气的相对就湿度越大，水蒸气在开关柜柜壁表面越容易凝结。即水蒸气凝露速度与开关柜内部空气湿度成正相关。在空气相对湿度不变的情况下，只要空气中的水蒸气温度低于此湿度下的露点温度，水蒸气就会发生冷凝现象。环境温度越低，冷凝速度越快，开关柜柜壁表面就越容易发生结珠现象。

因此，为了减少开关柜内部发生冷凝现象，就必须实时监控开关柜内部的温湿度。

2.2 温湿度在线采集系统

在设备方面，为了实时地和准确地采集开关柜内的湿度和温度数据，设计和制作了一套基于GSM的远程温湿度在线采集系统。本系统包括三个部分：高精度的温湿度传感器，远程数据传输模块和PC端的数据中心，其系统框图如图1所示。

温湿度采集模块采用的是AM2305温湿度传感器，湿度的精度可达±2%RH，温度的精度可达±2℃，符合实验的要求。远程数据传输模块以STC89C52单片机为主控，负责多路温湿度传感器或PC机同GSM通信模块之间的数据和命令交互，以及GSM模块的初始化工作。GSM通信模块采用华为GTM900C，支持短信模式和GPRS模式，具有较高的稳定性。PC端的数据中心基于Labview平台开发，通过串口接收下位机发来的数据信息，并在服务器中保存和显示。

3 实验方案设计

为了获得详实有效的实验数据，拟设计实验方案如下：带电开关柜，耐火泥无孔，除湿机和加热器工作，探头在不影响开关柜工作的情况下尽可能均匀分布安装。实验场地为蔡郎变。蔡郎变是一个35KV的主干变电站，多次发生凝露引起的开关柜爆炸。在这个测试场地可提供爆炸多发区开关柜运行状态下的温湿度的变化。为了进一步增加典型性，特别选取了一个刚爆炸过的开关柜放置温湿度探头。蔡郎变温湿度探头的分布如图2所示。考虑到后舱是爆炸主发点，1-15号探头从底部至顶部均匀安置于后舱，16，17号探头安置于前舱，19号探头安装于舱外用于观测环境温湿度。除湿机和加热器位于柜内右下角处，即探头3附近。

在采集时间方面，由于柜内的密封性较好，空气流通缓慢，因此将10分钟作为最小采样间隔来采集数据。

4 实验结果及分析

根据我们对采集数据的分析，地沟和外部环境湿度的变化都和天气变化有密切的关系，强烈的天气变化会带来较大的湿度变化，因此我们特地选取天气为“多云-雨-晴”的连续三天的数据做相关分析。实验结果及相关结论如下：

图3是三天中固定时间间隔18个探头的湿度值。

从图3中的总体趋势来看，开关柜后舱下部及中下部的探头1点到8点点湿度基本一致，中部的9点和10点位过渡点，占据的开关柜后舱中部及上部的探头11点到15点湿度基本一致。为了进一步证实这个趋势，计算了后舱各探头湿度在这三天中的和探头1（开关柜后舱底部防火泥附近）及探头13（开关柜后舱顶部百叶窗附近）的相关性，结果如表1所示，探头位置由低到高排列。

由表1可见，第一天由于后舱底部的1点和后舱顶部的13点相关性较差（底部湿度较高），造成1点和2点至9点的相关性较强（0.93以上）而和11点至15点的相关性较弱（0.4左右）；但13点和11点至15点的相关性较强（0.93以上）而和1点至9点的相关性较弱（不到0.5）。10点作为过渡点，其和1点及13点相关性一般（0.88，0.72）。

也就是说在加热和除湿条件下将整个后舱内湿度空间分为上下两部分，绝缘挡板及以下自成一个湿度体系，受加热和除湿的影响；绝缘挡板以上自成一个湿度体系，湿度受顶窗影响。下雨时，柜外大气湿度通过柜顶窗口迅速向柜内渗透，造成后舱上部湿度迅速提升，雨后天晴，湿度通过顶窗迅速散发。

5 结论

本文设计了金属封闭开关柜内温湿度状态监测及评估试验的方案和步骤，通过分析实际运行开关柜内不同时间段和不同天气温湿度数据，发现在加热和除湿条件下将整个后舱内湿度空间分为上下两部分，绝缘挡板及以下自成一个湿度体系，受加热和除湿的影响；绝缘挡板以上自成一个湿度体系，湿度受顶窗影响。下雨时，柜外大气湿度通过柜顶窗口迅速向柜内渗透，造成后舱上部湿度迅速提升，雨后天晴，湿度通过顶窗迅速散发。

因此在接下来的研究中，我们将着力分析和研究地缆沟的水汽对柜内温湿度的影响以及除湿机和加热器对柜内温湿度的影响。同时，拟通过应用有限元分析软件ANSYS对在不同位置的除湿机和加热器情况下柜内的潮湿空气流动情况下进行仿真分析，为金属封闭开关柜内凝露机理及解决措施研究供有利参考与指导作用。

（通讯作者：郑悠）

参考文献

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[6]沈海平，勇明.物联网技术在高压柜温湿度监控系统中的研究[J].电力系统通信，2010，31（12）：51-55.

作者简介

吴英俊（1971-），男。现为国网浙江省电力公司宁波供电公司高级工程师。研究方向为电力系统继电保护。

通讯作者简介

郑悠（1981-），男。现为宁波工程学院电子与信息工程学院讲师。主要研究方向为故障诊断和智能电网。

作者单位

1.国网浙江省电力公司宁波供电公司 浙江省宁波市 315000

2.宁波工程学院电子与信息工程学院 浙江省宁波市 315000