泛在电力环网箱防凝露技术

国网福建省电力有限公司福州供电分公司 陈祥伟 李宽宏

中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司 刘明涛

无锡赛孚电力环境控制设备有限公司 承 方

户外环网柜应用量大，已成配电网的重要组成部分，其运行可靠性直接关系供电质量与供电可靠程度。分析环网柜运行故障的原因可以发现，环网柜内出现的高温、高湿、凝露和积灰等不良环境因素，引起开关柜绝缘劣化、设备锈蚀是导致事故发生的重要原因，这些环境因素也使设备寿命降低。本文通过对环网柜防凝露技术研究，消除上述不良环境因素，提高环网柜运行可靠性。

1 现有环网箱防凝露技术分析

长期以来，人们通常把环网箱视作一个简单的容器或附属设备而很少给予足够的重视，其内部微环境控制更是一个被长期忽略的问题，导致目前户外环网箱内凝露严重。为了改善环网箱内部运行环境，目前国内采取的措施有以下几种。

简单密封。为了防止灰尘及昆虫进入柜内，对箱体采取有限的密封。但箱体密封后破坏了散热所需的对流条件，无法流通的静止空气会在设备或元件表面形成滞流层，而这个滞流层相当于热绝缘层，会对设备或元件的散热产生极为不利的影响，这也是一些户内布置的保护屏即使在空调将室温降得很低的情况下仍然过热的重要原因。由于箱体密封并不严密，内部空气的热胀冷缩会导致呼吸现象，特别是在没有呼吸孔的情况下灰污极易通过缝隙随未经过滤的空气无序地进入箱体并在箱体的各个部位沉积，而箱体设计又无自我净化能力，故箱体内存在积灰、积污的不良条件；灰污中含有大量金属微颗粒、金属氧化物及各类酸性物质，有可能成为箱内电气部件锈蚀、绝缘破坏、甚至引发污闪故障的重要物质条件。

增加通风设备。对于部分内部存在热源的箱柜体，现有的措施是在箱体的某一个面设置进出风孔或安装小、微型风机进行通风。但由于箱体内部设备、部件安装的随机性和气流通道与空间的不确定性，使这类通风散热方式因存在大量死角或无序紊流而难以达到预想效果，而且还会因灰尘与潮湿空气大量进入引发更严重的问题。

加热除湿。常投或间断投入（温控或湿控）电加热器是目前环网箱普遍采用的除湿、降潮措施。其工作机理是通过加热空气提高空气的湿容量（即容纳和吸收水蒸汽的能力），从而降低相对湿度。但在现有的各类箱柜体中，加热器的应用随意性加大，如果再加上使用过程中缺乏科学的控制方法，有时会产生一些适得其反的结果：首先是箱体处于封闭状态，箱体内空气处相对于静止状态，内部没有空气对流，加热器主要通过传导、辐射来对空气加热，加热器对空气的加热是局部的、不均匀和不完全的，造成箱体内部形成较大的温度梯度和冷热交界面，增加凝露出现的可能；其次是箱体内部缺乏含湿空气的排放、逸出通道，下部又有电缆沟源源不断地补充水汽。于是加热的空气吸收了更多水分并在箱体内滞留，加热的温度越高，吸收并滞留的水汽越多，一旦柜体内空气温度稍有降低便迅速饱和，给空气凝露提供了条件；第三是由于加热器的使用，使得箱体内部温度往往高于箱体外部，在箱体内壁处产生显著的温度差，由于箱体由导热性能较好的金属材料制成，其内内壁形成冷表面，成为凝露的另一个重要条件，于是大量的、持续的凝露过程便无可避免了，严重情况下箱体内甚至还会发生局部积水现象。一旦箱柜体内积灰、积污与持续的凝露两种效应相叠加，使箱内发生污闪、绝缘故障的概率大大提升，将严重威胁电气设备的安全运行。

由此可见，加热器的不合理使用，其效果几乎是得不偿失的。除此以外，还有在环网箱内安装小型空调器的案例。安装小型空调器只能形成局部对流，过度降温还会加大温度梯度和热场分布不均匀的程度，冷风直接吹到的地方还会形成许多冷表面，反而促进凝露，其效果是得不偿失的。而且这种方式因投入高、效率低、能耗大、费效比差而难以被市场所接受。

2 防止凝露发生的措施

2.1 凝露的产生

平常所论述的空气是由干空气和水蒸汽组成的湿空气。水的存在形态主要取决于温度和压力，温度增加或压力降低，液态水将呈逐渐往气态转变，反之，当温度下降或压力增加，气态水将向液态转变。因此，我们可以发现，凝露实际上就是空气中的水份由汽态向液态转变的结果。当湿空气接触的物体表面温度低于该空气的温度时，空气将热量传递给所接触的物体，空气温度下降，同时其水的分压力上升，物体表面温度升高，但两者升高速率不同，通常空气热容量低，降温速度大于固体物体吸热后的升温速度。当空气温度降至水蒸汽分压力下水的沸点温度时，水蒸汽将从空气中以液态形式析出，在物体表面形成凝露。

通过上述分析可以发现，形成空气凝露的条件是湿空气（水分）、物体与空气的温差，如果两个条件都不满足时就不会出现凝露。

2.2 阻止环网箱内二次舱和电缆舱凝露产生

有效控制箱柜外热湿空气进入。通过对箱柜外空气的温湿度进行监测，当箱柜外的湿空气含湿量（相对湿度）升高时，应逐步减少箱柜外空气的进入量，直至关闭室外进风。为了实现有效控制，必须将传统的自然进风改为有组织的机械进风，通过对机械进风装置的控制实现对进风量的控制。

控制温差。控制箱柜内与箱柜外、柜内与二次室内的温差：环网箱柜安装于露天，由于外界环境温度、湿度变化对其运行会带来许多不利影响，尤其是外界温度突变时（如冬季出现的寒潮时）柜体温度急剧变化，低于柜内表面空气中水汽分压力对应的沸点温度时，空气中的水汽就变成水滴在析出，形成凝露。为了减少外界的影响，控制箱柜内与箱柜外的温差，减少凝露发生，最直接的办法就是将箱柜外的空气送入箱柜内，将箱柜内的空气排出，减小箱柜内外的温差；控制箱柜内与电缆沟、柜内与电缆室的温差：控制箱柜内空气与电缆沟内的温差，减少电缆室凝露发生，最直接的办法就是将二者的空气进行有效的混合。箱柜内顶部的空气温度要高于箱柜内下部的温度，因此将箱柜内顶部温度相对较高的空气通过通风设备送入电缆沟内，与电缆沟内的空气混合后，空气温度升高，相对湿度下降，并通过排风口再次排入箱柜内，保持电缆沟干燥的同时也使箱柜内的空气温度更趋均匀。

3 工程解决方案

基于上述分析结果，提出的系统方案如图1所示。

图1 系统布置示意图

3.1 系统设计思路

将箱外新风根据系统参数和箱内温、湿度控制要求，经微环境控制装置（具有过滤、加压、分配、降噪等功能）处理加压后，送入环网箱内，通过进风射流与热羽流的耦合及诱导，左右轮流送风，利用其良好的扩散性和弥漫特性，消除箱柜体内的通风死角，改善流场和温场分布，使箱外、箱内、柜内温度都能达到均衡。根据电缆沟内与箱内的温差，系统将箱内空气送入沟内，使沟内的空气温度得到提升，降低了沟内空气湿度；源源不断送入的空气使电缆沟的压力上升，通过在电缆沟与环网箱开设的回风口进入环网箱内，相较于送入电缆沟的空气温度得到降低，与环网箱下部空气混合后，使环网箱下部区域空气温度趋于均匀。随着运行时间的延长，环网箱上部空气状态参数超过设定值时，系统自动调整内循环和新风比例，将上部高温的热湿空气溢出箱外。实现了箱内与电缆沟内整体的温度均匀、降低箱内温度梯度，同时也降低系统运行能耗。

3.2 控制方式

控制方式中所涉及到的具体控制数据都为可设参数。

环网箱内与开关柜外部凝露积水控制：第一要控制温差。当环网柜箱顶部温度高于环网箱外部温度且环网柜箱顶部温度超过25℃时风机1开启，系统根据温度自动调节风机开启时间，然后开启风机2同风机1。若环网箱外部湿度低于85%时，进风口打开、回风阀关闭，风机开启时为外进风模式，将环网箱顶部热空气排出，减小环网箱和开关柜内外的温差，破坏环网箱内壁与开关柜外部凝露条件。如果环网柜箱顶部温度一直低于25℃时，系统定时2小时开启一次风机，外进风运行一个周期，使环网箱内外温度平衡；第二要控制室外热湿空气进入。当环网箱外部湿度高于85%或者温度高于环网柜箱顶部温度时，进风口（3.1）关闭，回风阀打开，风机开启内循环模式，防止室外高温高湿空气进入箱内，从而破坏环网箱内与开关柜外部凝露条件，同时减小环网箱内上下温差。

二次室防凝露控制：第一要控制温差。当环网柜箱顶部温度超过25℃或环网柜顶部温度和开关柜顶面温度温差超2℃时风机1开启，系统根据温度自动调节风机开启时间，然后开启风机2同风机1，左右交替送风。若环网箱外部温度低于环网柜箱顶部温度并且环网箱外部湿度低于85%时，进风口打开、回风阀关闭，风机开启时为外进风模式，将环网箱顶部热空气排出，减小环网箱内外的温差，同时减少了外界对二次舱的影响，从而也减小了环网箱内与二次室内的温差，破坏二次室凝露条件。当环网柜箱顶部温度超过45℃时，同时开启风机1和风机2，周期性开启，快速将环网箱顶部热空气排出，直到环网柜箱顶部温度低于42℃时退出该模式；第二要控制室外热湿空气进入。当环网箱外部湿度高于85%或温度高于环网柜箱顶部温度时，进风口关闭、回风阀打开，风机开启内循环模式，防止室外高温高湿空气进入箱内破坏二次室凝露条件，同时减小环网箱内上下温差。

图2 安装微环境控制装置的环网箱

电缆室防凝露控制：第一要控制温差。当电缆沟内温度低于开关柜下部温度1℃时，开启下风道风机，提高电缆沟温度，使电缆沟内温度与开关柜下部温度平衡。当电缆沟内湿度低于85%时箱底回风阀打开，电缆沟内空气进入环网箱内部，如果此时进风口是打开状态，可以排除环网箱顶部高温空气。如果此时进风口是关闭状态，可将环网箱内空气与电缆沟内空气综合，使环网箱内部和电缆沟内部温度平衡；第二要控制电缆沟内湿度。当电缆沟内湿度超过90%时开启下风道风机，打开进风口，关闭箱底回风阀，将电缆沟内高湿空气从箱底旁路排风口排出，直到电缆沟湿度低于85%，恢复正常模式。

4 实际运行效果

基于上述设计思路，将风机、循环窗等设备与温湿度传感器集成在一个智能系统平台，并固化在微环境控制装置上。通过监测环网箱内、箱外和电缆沟的状态参数，自动调整新风（箱外进风）、回风（环网箱中部区域空气）和排风（环网箱顶部的热湿空气）的风量，从而阻止箱外大量热湿空气的侵入，保持箱内干燥，温度均匀，彻底杜绝凝露的发生。

为检验上述方案的实际运行效果，在福州象山站安装了一套上述微环境控制装置（图2）。为便于对比，在福州福飞路1号站安装了环境监控装置，检测柜内环境参数。两个环网站在同一天中，柜内相同位置处最高温湿度对比结果（表1）表明，安装微环境控制装置后，通过系统自动调控风机运行的时间，降低环网箱内空气温度，可促进箱内和电缆沟内的温湿度趋于均衡，减少电缆沟内潮湿空气通过电缆接线孔进入开关柜，从而防止开关柜内电气元件表面的闪络现象发生。系统运行后二次舱和电缆舱凝露完全消除。

5 结语

根据对凝露机理的分析，分析总结出户外环网箱内产生凝露的主要因素是外部潮湿空气的进入和箱内空气与柜体壁面形成的温差。从防止潮湿进入和消除温差的两个方面提出了防止箱内凝露的主要措施，并提出了采用以微环境控制装置为核心，结合温湿度传感器、控制风阀、空气处理设备等构建智能控制系统，形成环网箱微环境控制系统。通过在工程中的应用，表明该系统可以有效地控制环网箱内的温度和湿度参数，消除凝露产生的因素，降低环网箱因凝露发生故障的风险，微环境控制系统运行能耗显著下降，电气设备运行环境得到有效改善，维护工作量显著降低，环境控制的智能化水平得到提高。

图3 环网箱内凝露现象（安装后）

表1 系统应用前后温湿度对比表