公路隧道机电设施主被动防凝露技术浅析

2022-04-29张彦晓石开荣

交通节能与环保 2022年2期

张彦晓，石开荣

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

0 引言

我国公路隧道已俞2万处，数量多、地域广。吉南、辽东、川西南、宁南等地的一些山岭气候湿润，隧道洞内凝露多发。凝露对隧道机电设施的危害颇大，会引起设备潮湿、性能下降和使用寿命缩减等问题，造成设备功能损坏、电气故障，甚至引发电气火灾。

凝露给隧道机电运营造成极大困扰。以吉林高速集团2019年机电设施专项工程为例，该工程主要对吉林高速集团所辖的吉林、延边、通化、靖宇、梅河5个片区的7条高速47座隧道的通风、照明、消防、监控、供配电5个机电系统的系列故障、缺陷等进行集中改造。项目隧道夏秋季节结露严重，凝露发生期间三至七成灯具发生故障，而春冬季节灯具故障率显著降低。电缆沟内、桥架内时有打火放电情况发生。根据检测机构完成的定期检查报告，隧道技术状况评分为63.4，平均值为4类。排除规范更迭、冻害、设备自然老化、设计施工缺陷、土建结构影响等因素，统计各类故障发现，其中照明灯具故障、照明回路故障、通风回路故障、配电箱故障、环境设施断电、PLC无法远控、电缆打火等多类故障均与凝露有关，夏秋凝露诱发的机电故障占比高达30%～50%。据此看出，凝露对隧道安全和经济造成的损害巨大，开展凝露防治工作刻不容缓。

1 隧道凝露的危害

1.1 凝露形成机理

凝露是指空气中的水汽达到饱和状态时，当环境温度继续下降至露点，空气中过饱和的水汽凝结析出液态水的现象。空气是含有水蒸气的混合气体，饱和度较高的水汽遇冷就会析出液态水。

容易形成凝露的隧道，需同时满足洞内外温差大和隧道洞外湿度大两个条件。凝露隧道夏秋季外部气温较高，隧道内则相对阴冷，当湿热空气进入隧道导致气温下降，进入隧道后湿空气降温达到露点，从而引起隧道内出现凝露现象。因隧道侧壁、路面和设备机箱等温度相对更低，因此凝露在这些位置表征出来。因此隧道凝露易发在箱柜地下基础、隧道侧壁配电箱、隧道车人行横洞等处。

1.2 凝露危害机理

凝露由水蒸气液化，本身是纯水不是导体，而纯水的电阻率高达10 000Ω·m，比金属的电阻率大1010～1012倍，因此凝露在洁净的环境中引发事故的概率较低。但隧道内环境普遍恶劣，空气中灰尘和尾气成分复杂，尘土中裹挟的金属盐如钾、钠、钙等物质，凝露水遇积尘其纯度极大降低，促成金属盐电解酸化。当电气设备表面存在凝露水产生的电解质溶液，会对电气设备造成多种危害：

（1）在潮湿环境中，电路元件与水、杂质接触形成原电池，加速金属组件氧化，形成霉变、锈蚀等，加速设备老化，使电器的灵敏度下降，继而损坏电器。

（2）一些配电箱零线和火线、电路板的正负极端子就近连接，含杂质的凝露水滴至电气元件上，形成导体后破坏零火线、正负极之间的电气间隔，造成带电元件短路、爆炸等，从而损坏电器。

（3）机电设施出现凝露情况，易导致其表面爬电，损坏绝缘组件从而引发系统短路、主板烧毁、电气闪络等故障。

表 1 凝露分类Tab.1 Classification of condensation

（4）电气元件长时间运行在高湿环境中，改变了设备运行环境的湿度要求，会缩短元件整体使用寿命。电气元件在凝露与空气的作用下发生电化学腐蚀，隧道内汽车尾气中酸性物质会加剧霉变腐蚀。

（5）电缆沟槽、电气接头、开关盘柜结构件上的冷凝水，极大降低电气设施热绝缘性能，甚至组件脆化、断裂或形成局部放电，从而损伤关键元器件，加剧电气设施系统故障，提高了运维成本[1]。

设备运行时以上任一问题均会引起机电安全问题，缩短电气设备的运行寿命，从而造成隧道机电安全事故，因此解决隧道机电凝露问题或提升设备的抗凝露性能，是提高隧道机电系统可靠性的关键。

图1 凝露导致的电气故障Fig.1 The electrical failure of power distribution cabinet burning

1.3 凝露等级划分

膜状凝露能润湿衬砌和设备表面，形成一层连续的液膜。滴状凝露在壁面上表现为密集小液珠，之后不断析出水分变大，受重力或张力作用，携带其他邻近液珠顺壁流下，并不断重复该过程。根据凝露的程度不同，可将其划分为无凝露、轻度凝露、中度凝露、重度凝露和强凝露5个等级，如表1所示。

2 主被动防凝露技术

消除凝露影响可从凝露形成的前期、中期和后期进行干预，主动破坏凝露的液化过程，从而消除凝露发生；也可从改变设备抗凝露性能入手，被动阻止凝露带来的破坏结果。

2.1 主动防凝露措施

2.1.1 固体吸附减湿法

吸附减湿是用固体吸湿剂减湿的一种方法。常用固体即干燥剂或吸潮剂，是一种提取和吸收有限湿气的物质，其原理是利用箱柜内部安放的某些吸水物质，将包装环境中的水分吸入自身结构中，从而降低包装环境的空气湿度。物理干燥是一种纯依靠分子间吸引力减湿的物理减湿过程，材料有硅胶、活性氧化铝等；化学干燥通过生成水合物进行干燥，吸湿剂在吸湿前后的分子结构改变，材料有硫酸钙和氯化钙等。

固体吸附减湿方法有静态法和动态法之分。当吸湿剂吸收水分到一定程度时，其吸湿能力达到饱和，无法继续吸湿，称之为失效。需再生以除去其内部的部分水分，方能重复使用。常用的再生方法为加热烘干。

静态吸湿是通过加装氯化钙等干燥剂，让潮湿空气与吸湿剂自然接触除湿。该方法的缺点在于除湿效率低，持续形成凝露的环境中该法并不适用。

动态吸湿是在静态吸湿的基础上，利用机械加速湿空气流动，从而提高固体除湿效率。动态吸湿如空调中的除湿组件，其常用的固体吸湿剂是硅胶、CaCl2和分子筛。其缺点在于设备组件较多，不适于小空间使用。

2.1.2 通风除湿法

当外部环境空气的含湿量低于内部环境时，可通过通风换气，将外部新风送入内部进行通风除湿。通风除湿是一种经济易行的方法，条件允许时应优先考虑，且应优先采用自然通风方案。

隧道外部大环境和隧道内环境统称为空气环境，三种环境相辅相成、密不可分。隧道外部环境影响隧道洞内环境，隧道洞内环境影响隧道机电设施箱柜内部环境。加强通风有两种方式，一是加强隧道整体环境的通风，另一种是加强隧道设备箱柜内外通风换气。

（1）加强隧道整体环境的通风

利用公路隧道风机在洞外无雾气的情况下加强通风，或将干燥的一侧空气引入隧道形成恒流，可以有效缓解隧道内凝露现象。如一些隧道处于干燥气候与湿润气候的分界点，将干燥空气引入隧道更有利于隧道的湿空气排出。

如G22线青兰高速六盘山特长隧道，西侧临半干旱气候的隆德县，东侧接中温带半湿润气候的泾源县。东侧山大林密湿润，西侧开阔干旱。泾源侧夏秋季节雨雾天气高发，雾气发生时侵入隧道东口200～500 m，东侧临近的车行和人行横洞在建设初期内存在凝露情况。当隧道洞内西口干燥空气长期持续流向东口后，东口凝露现象基本消除。

（2）加强隧道设备机箱通风

冬春季节一天之中有一段时间室外空气含湿量较低。采用通风减湿法应合理选择通风时机。对一些余热很小的机电设备，通风减湿能够降低的箱柜内部空气含湿量十分有限。

设备机箱内部通风的目的，是加强设备表面的空气流动，改变凝露所需要的稳定环境，从而降低凝露效率。风机难以直接除湿，当设备开孔较大，则易将外界潮湿空气引入，潮湿空气在机箱内达到露点加速凝露形成。因此，风机与温控器、加热器配合使用才可有效减湿。

2.1.3 加热除湿法

加热除湿装置主要原理是在设备箱柜内部安装恒温电热片、电热丝、电热带等发热组件，使箱柜内部的温度始终高于箱柜外部的环境温度至少2～3℃，消除箱柜体内部产生凝露的条件，智能化加热除湿设备还可利用设备保护壳体内外的温差并适时按需调节内部温度。加热器通过加热空气，增加空气含湿量，降低空气的相对湿度。机箱内热空气上升，冷空气下降，从而机箱内部充满热气。热气膨胀，部分热气会从出风口排出。

加热器适用于含有通风孔的设备，一般与换气风机配合使用。智能化的加热器与风机可根据环境湿度启停。风机一般与加热器一体安置，风机安在加热器下部。为避免阴冷湿气进入，一般在下部不留风孔。

加热器未能真正除湿，只是通过空气加热的方式降低机箱内部的相对湿度，并始终处在循环除湿工作中。加热除湿装置的除湿效果有限，当外部环境温度变化或短暂停电时，箱内空气可迅速凝露，恢复供电后可能引发发热组件漏电。同时，加热器的热辐射效应，会加速周围橡胶、塑性材料的老化，若与周围的线缆直接接触，会破坏线缆绝缘层。

2.1.4 半导体除湿法

半导体防凝露装置的主要构件是PN结、风机和排水管，除湿过程基于帕尔贴效应，通过N型和P型两种半导体将电能转化为热能。制冷时，直流电由N端流至P端，热端对中冷端的温度降低，并吸收环境热量。低能P端电子流至高能N端时会从环境中吸热，热量经电子传导至另一端，当电子反向流动时放热，其原理如图2所示[3-4]。

图2 半导体除湿原理示意图Fig.2 Schematic diagram of semiconductor dehumidification principle

半导体除湿装置将封闭机箱内的水蒸气冷凝成液态水排出，原有的空气湿度难以迅速恢复，从而真正除湿。冷凝除湿装置自身热量较低，不会对周围线缆产生影响，可根据湿度变化自动控制除湿，每次工作时间较短，节省能耗。对于温湿度监测与除湿一体化的产品，则减少了控制连接线的麻烦，提高了设备的可靠性。

2.1.5 冷却减湿法

冷却减湿法即露点法，常用表面式空气冷却器和喷水室对空气进行减湿处理，或专用冷却降湿设备。因冷却组件耗电较高、体积较大、管路较为复杂，因此在隧道环境适用性不强。

2.2 被动防凝露技术

2.2.1 提高设备防护等级

隧道内控制箱、配电箱的防护等级采用IP65时，能有效防止凝露水和灰尘的侵入，从而降低凝露对隧道机电设施造成的影响，保护设备（图3）。另一方面，箱体也可防止清洗水和渗漏水的侵入。

图3 配电柜内加装防凝露装置Fig.3 An anti-condensation device is installed in the power distribution cabinet

2.2.2 提高材料防腐性能

隧道内设备箱柜壳体、电缆桥架、闸阀、消火栓头等设施，通常采用冷轧钢、热轧钢、铸铁等制成，为防止凝露水引发的锈蚀老化，轻度凝露时可刷漆、镀锌防腐，重度凝露可采用铝合金、不锈钢、玻璃钢等材料防腐。

2.2.3 加强接头防护

隧道洞内机电设备采用总线式、树干式等配线结构，电缆沿程接驳点繁多。电缆接头采用防水接线盒、电缆集线器等，能够提高接头稳定性，避免因为潮湿导致短路起火。

机电设备箱柜进出线孔封堵不严密时容易受潮，造成内部设备凝露损坏，采用防水接头、航空接头、耐腐胶泥等能提高连接的可靠性，提高设备箱体的防水防潮性能。

2.2.4 喷涂防凝露涂料

荷叶具有滴水不沾的“荷叶效应”，落到荷叶上的水滴会顺着叶面滑落，因此可利用荷叶效应防止物体表面水滴附着。物体表面凝露是由热饱和空气碰到冷的物体表面液化形成的小水珠，水珠汇集灰尘后，电离形成导体。所以利用荷叶效应，就是要阻止小水珠的形成，涂刷防结露涂料，使其表面具备超亲水特性，增大水的表面张力，水在涂料表面无法形成水珠，且可带走表面灰尘。当水接触角小于15°，超亲水涂料开始有防凝露的效果；水接触角为4°时，涂层显示出良好的防凝露性能；水接触角高于25°时，防凝露功能完全消失。

防雾涂料使基材表面具备超亲水特性，给电气材料表面覆盖一层纳米涂层。涂层的纳米SiO2、SnO、磷酸钛化合物增大了水的表面张力，水在其表面无法形成水珠，从而使物质表面增加超亲水、防静电、防凝露等特性。一般在电路板、配电柜、金属控制箱、高低压铜排表面涂覆硅胶干燥剂，可延缓雾气凝结。当金属表面温度低于露点有水分析出时，先被吸附到金属表面涂层，饱和后才会出现凝露。所以该方法一定程度上延缓了凝露的蓄积发展，可在轻度凝露环境中降低凝露影响。

2.2.5 防凝露结构设计

配电箱采用下进下出式，或顶部开孔采用密封措施，避免顶部进水。箱体下部采用汇水结构，直接排出箱外。