基于流体仿真的GIS汇控柜防凝露控制策略研究

张记飞，刘英男，郭 源，邹立升

（1.国网山东省电力公司临沂供电公司，临沂276002；2.山东大学 电气工程学院，济南250061）

GIS 汇控柜是对一次电气设备进行二次控制、测量和监视等功能低压装置集中布置和安装。汇控柜内凝露时柜内或柜门玻璃窗凝结水痕，易引发电气短路、受潮设备严重放电、内部元器件霉变等问题，存在运行安全隐患[1]。

研究表明凝露的产生与温度（℃）、湿度（%RH）两个要素紧密相关[2]，为了降低凝露现象给汇控柜带来的危害，提高电力系统的运行可靠性，相关研究机构进行了大量的研究，常见防凝露措施有湿度控制法和温度控制法[3-6]。湿度控制法采用柜内安装除湿器，但柜内部分区域出现凝露情况，除湿器只能做到局部除湿；温度控制法是指通过加热器等温控设备升高柜内壁温度，使之始终高于柜内空气的露点温度以实现防凝露。未考虑除湿装置的安装位置对除湿效果的影响，会造成汇控柜内部局部凝露。针对某220 kV 变电站典型汇控柜，建立典型柜体模型，采用fluent 流体仿真[7-9]，选取风扇、除湿器的最佳安装位置，通过实验数据和理论分析提出汇控柜环境温湿度控制策略。

1 仿真分析

1.1 柜体建模

选取某220 kV 变电站220 kV 1 号母线PT 智能组件柜进行设计建模，柜体外观如图1所示，汇控柜尺寸高×宽×深：2000×800×800 mm。

图1 柜体模型Fig.1 Cabinet model

1.2 流体仿真

采用gambit 软件建立汇控柜物理模型，并划分网格，然后倒入fluent 软件进行流体仿真，湍流模型根据实际情况采用工程仿真常用模型（standardk-∈湍流模型），开启能量方程，考虑重力因素，进风扇和除湿风扇采用质量流量入口边界条件，排风扇采用压力出口边界条件。

本文建立如下控制方程：

连续性方程为

动量方程为

能量方程为

质量输运方程为

式中：ρ 为湿空气的密度；Yi为组分i 的质量分数；D为湿空气扩散系数；Sm为质量能源；SE为能量源项；mv为水蒸气的冷凝速率；γ 为水蒸气的汽化潜热。

ρ 湿空气的密度计算公式为

SE能量源项计算公式为

Sm质量能源计算公式为

水蒸气冷凝速率计算公式为

排风扇的典型流体曲线如图2所示。

图2 风扇参数曲线Fig.2 Fan parameter curve

根据柜体结构和风扇流体曲线参数进行流体仿真，仿真目标是气体在柜内充分流动，消除柜内局部凝露。现场运行汇控柜不易开过多风扇安装孔，因此选取2 个一进一出风扇，同时除湿器自带风扇，因此设置3 个风扇内部布置，仿真位置结合经验，设置如表1所示。

表1 仿真设置Tab.1 Simulation settings

1.3 仿真结果

仿真A 风扇对侧布置，出风口风扇布置在距离顶部30 cm，进风口风扇布置距顶部30 cm 的位置，上进下出，有除湿风扇设置，仿真结果如图3所示。

图3 仿真A 空气流动轨迹及流动速度分布Fig.3 Simulation A air flow trajectory and flow velocity distribution

仿真B 风扇对侧布置，出风口风扇布置在距离顶部30 cm，进风口风扇布置距顶部30 cm 的位置，上进下出，有除湿风扇设置，顶部有出风口，仿真结果如图4所示。

图4 仿真B 空气流动轨迹及流动速度分布Fig.4 Simulation B air flow trajectory and flow velocity distribution

仿真C 风扇对侧布置，进风口风扇布置在距离底部30 cm，出风口风扇布置距顶部30 cm 的位置，下进上出，有除湿风扇设置，仿真结果如图5所示。

图5 仿真C 空气流动轨迹及流动速度分布Fig.5 Simulation C air flow trajectory and flow velocity distribution

仿真D 风扇对侧布置，进风口风扇布置在距离底部30 cm，出风口风扇布置距顶部30 cm 的位置，下进上出，有除湿风扇设置，仿真结果如图6所示。

图6 仿真D 空气流动轨迹及流动速度分布Fig.6 Simulation D air flow trajectory and flow velocity distribution

1.4 仿真结论

对比仿真A～D 的结果，其中仿真A，B 和D 的气流轨迹分布存在多处局域气体不均匀的情况；仿真C 风扇对侧布置，进风口风扇布置在距离底部30 cm，出风口风扇布置距顶部30 cm 的位置，下进上出，有除湿风扇设置，可达到充分扰动整个汇控柜流场的效果。

2 现场测试

2.1 测试环境

在汇控柜内安装主控终端采集封闭汇控433 MHz 无线通信将数据汇总到站内集中通信模块，集中通信模块通过4G 网络将数据通过网络传输回系统平台[10-13]。为测试不同安装位置防凝露的效果，在某220 kV 站内设置实验柜和对比柜，对温湿度数据进行连续记录。

1）实验柜待用Ⅶ218 汇控柜按照模式C 的位置安装。

2）对比柜待用Ⅵ217 汇控柜按照模式A，B，D的位置安装。

在不同运行模式下，选取相同时间段，根据初始值和末端值的差值比较分析不同安装位置的效果。温差是影响凝露的关键因素，露点温度的初始值和末端值越大，则除湿效果越好。露点温度是指在水蒸气含量以及气压均不改变的情况下，空气冷却至饱和空气时的温度，计算公式为[14-16]

式中：EW为水上饱和水蒸气的压力；RH为相对湿度；Dp为露点温度。

2.2 模式C 与模式A 对比

选取2020年8月20日18：00 至19：00 作为实验数据采集段，实验数据对比如表2所示。

表2 数据对比Tab.2 Data comparative

2.3 模式C 与模式B 对比

选取2020年8月21日19：00 至20：00 作为实验数据采集段，实验数据对比如表3所示。

表3 数据对比Tab.3 Data comparative

2.4 模式C 与模式D 对比

选取2020年8月22日18：00 至19：00 作为实验数据采集段，实验数据对比如表4所示。

表4 数据对比Tab.4 Data comparative

2.5 实验总结

通过以上实验数据对比可以看出，模式A，B，C，D 的风扇安装位置均能起到降低柜内露点温度的作用，其中，模式C 在降低露点温度和除湿效果上最好，验证了流体仿真的准确性。实验过程中，可以发现风扇对温度有明显作用，除湿器对湿度有明显作用。持续监测2020年8月整月数据发现晚上18：00 到次日6：00，温度持续下降，湿度持续上升，这个时间段为凝露高发期。通过实验数据分析，在湿度未达到80%时，单独开风扇，可抑制凝露发生，而柜内湿度达到80%，柜内外温差大于等于3 ℃时，单独开风扇也会产生凝露，此时加入除湿控制，可破坏凝露发生的条件。

3 控制策略

3.1 数学模型

通过实验数据，柜体表面温度受环境温度影响较大，柜体与外部热交换程度和外部的温度成正比。因此采用环境温度作为柜体表面温度参照值。根据凝露发生的机理，以控制露点温度和柜内外温度差为主要判据，通过监测汇控柜内温湿度、环境温湿度变化来控制柜内温湿度，使柜内露点温度低于柜外温度，破坏露点产生的条件，主动防止凝露的发生。

在夏季，易发生凝露的时段为18：00 到次日6：00 和雨后，外部温度降低，柜内湿度上升，柜内温度高于柜外温度，湿气遇冷（柜内壁温度低于柜内露点温度）易形成凝露。通过露点温度和柜外温度判定汇控柜内是否出现凝露，在未出现凝露的状态下，当环境温度逐渐升高时，露点温度均低于环境温度，不能形成凝露，此时无需控制柜内温湿度。当露点温度接近柜内温度时，凝露易发生，因此在露点温度和柜外温度差逐渐减小时，执行相应控制手段。

防凝露关联变量包括柜内温湿度、柜外温湿度、风扇和除湿器开关的逻辑变量。不同的逻辑变量构成不同的汇控柜内温湿度动态特性。

数学模型为

式中：T内为柜内温度；RH内为柜内湿度；Td 为柜内露点温度。

由凝露原理可知，RH内＜80%时，露点温度受柜内温度影响较大；RH内≥80%时，露点温度受柜内温湿度影响都比较大。

3.2 控制策略

定义T外为柜外温度；RH外为柜外相对湿度；k1为风扇开关量；k2为除湿器开关量，取值为0，1。

（1）风扇控制策略：柜内湿度大于柜外湿度或柜内温度高于柜外温度，启动风扇，循环柜内外气体，降低柜内外温差。

RH内>RH外或T内>T外，k1=1。

（2）除湿控制策略：柜内湿度达到80%，柜内外温差大于等于3 ℃时，开启除湿。

RH内≥80%且T内-T外>3，k2=1。

4 结语

三种措施中，风扇对温度有明显作用，除湿器对湿度有明显作用。温度是影响凝露的关键因素，说明风扇防止凝露的效果比除湿器防止凝露的效果好。除湿风扇控制策略：柜内湿度大于柜外湿度或柜内温度高于柜外温度，启动风扇，循环柜内外气体，降低柜内外温差；柜内湿度达到80%，柜内外温差大于等于3 ℃时，开启除湿。除湿器单价上千元，而两个风扇价格仅为几十元，用单价较低的风扇来配合除湿器进行温湿度调节，延长除湿器使用寿命，降低除湿器故障率，降低汇控柜凝露风险，经济性大大提高。