智能变电站高性能纤维预制舱防凝露设计

左涛，张新太

（乐山一拉得电网自动化有限公司，四川 乐山 614000）

0 引言

预制舱式智能变电站是实现新一代智能变电站“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的核心载体[1-4]，其关键技术之一就是使用预制舱体，而凝露对预制舱体内电气设备的安全稳定运行影响很大，因此防凝露是预制舱式智能变电站设计和生产的重点。目前预制舱体围护结构有金属与非金属两种材质形式，金属围护结构的预制舱体虽然具有构造简单、质量轻、强度高、对电磁的屏蔽性好等特点，但是金属舱体耐腐蚀性差、低温易脆断、高温传热快、保温隔热性能较差[5]，防凝露的设计和生产较为复杂，阻碍了预制舱式智能变电站的推广和应用。以高性能纤维复合材料为围护结构的非金属预制舱体，则克服了金属舱体的缺陷和不足，在舱体防凝露性能方面具有先天优势。目前关于智能变电站预制舱防凝露性能，普遍研究了金属围护结构的预制舱体[6-9]，尚未见以高性能纤维（尤其是玄武岩纤维）复合预制件为舱体围护结构的非金属预制舱防凝露性能研究的文献；因此，开展对高性能纤维非金属预制舱体防凝露技术的研究，对推动预制舱式智能变电站的发展与应用具有重大意义。

本文以四川省乐山市某110 kV变电站高性能纤维预制舱为模型，并以该市的室外气象参数为依据，采用工程热力学原理，验算了一种基于玄武岩纤维复合材料的智能变电站高性能纤维预制舱的防凝露性能，研究了计及太阳辐射下的预制舱热工参数以及舱内冷热负荷，并据此计算了控制舱内温控设备换热制冷需求量和控制舱内除湿设备除湿需求量，提出了防凝露发生的预制舱内温湿度控制设计方案。本文的研究方法可以用于新型预制舱结构研发的工程热力学参数计算，其研究成果可以作为高性能纤维预制舱工程化设计的理论依据和工厂化生产的工艺要求。

1 预制舱内凝露的成因及危害

凝露产生的机理是预制舱内温度低于露点温度或者舱内绝对湿度大，空气里未饱和的水蒸气变成饱和汽，空气无法容纳过多的水蒸气，此时水蒸气就会液化凝结析出，从而形成凝露现象，凝露会产生液态水，如图1所示。

图1 预制舱内因凝露产生的水珠

液态水会与电气设备内部元器件表面的尘埃相结合形成导电通道，破坏电气器件的绝缘性能，造成电气设备爬电、闪络、短路和跳闸等事故；同时，舱内电气设备若在这种环境中长期运行，设备内部金属结构件会逐渐锈蚀而降低其机械结构强度，舱内的排线也会发生腐蚀、老化、霉变等，会对智能变电站安全稳定运行造成重大影响。

根据凝露形成机理，需要对造成预制舱内温度低于露点温度或者舱内绝对湿度大的原因进行分析，从而找到破坏凝露产生条件的办法，防止预制舱内产生凝露。舱内温度低于露点温度的主要原因为舱体结构上有冷桥缺陷，舱体保温性能不好或者舱内温度控制系统温控能力不够。舱内湿度大的主要原因是舱体密封性能不好，有湿气进入或者舱内湿度控制系统除湿能力不够[10]。

2 预制舱体热工性能与防凝露验算

2.1 预制舱用玄武岩纤维复合预制件

预制舱整体结构分为舱体、舱顶和舱底三部分。舱体和舱顶围护结构均采用玄武岩纤维复合预制件，通过干式工法拼装而成。该预制件是一种将玄武岩纤维丝（网、布）、高分子保温材料（岩棉或聚苯乙烯泡沫等）、快硬硫铝酸盐水泥、水、砂、化合物等多种材料按特定比例，经搅拌高压喷射浇筑在用槽钢、钢筋制作成型的模具内，经24 h静置形成的高性能纤维复合材料。该预制件具有抗冲击能力强、防腐能力强、防辐射性强，隔热性能好、抗冻性能好、隔音性能好，燃烧性能等级高，耐火性能长、耐候性能好等物理性能[11-12]。其层理结构如图2所示。

图2 预制舱用玄武岩纤维复合预制件层理结构

根据表1所列的复合预制件各层材料传热系数λn和热阻R数值，可以计算出预制舱用玄武岩纤维复合预制件的实际热阻R0和综合传热系数λ。

表1 预制舱用玄武岩纤维复合预制件各层厚度及导热系数、热阻数值[11]

2․1․1 复合预制件实际热阻的计算

舱体的实际热阻R0可按式（1）计算：

式中：Ri—舱体内表面感热阻，(㎡·k)/W，取0.11(㎡·k)/W；

Re—舱体外表面散热阻，(㎡·k)/W，取0.04(㎡·k)/W。

代入各层材料热阻数值，可计算得舱体的实际热阻为

2․1․2 复合预制件综合传热系数的计算

复合预制件综合传热系数与各层材料厚度h，材料传热系数λn有关，根据工程热力学原理，可按式（3）计算[14]：

式中：h1，…，hn及λ1，…，λn—复合预制件从外至内各层厚度及导热系数；

h—总壁厚。

计算可得预制舱体、舱顶的综合传热系数λ舱体和λ舱顶。

综合传热系数λ舱体=λ舱顶=

2.2 验算舱内表面是否会出现冷凝水

根据文献[3]对预制舱温湿度指标的要求，预制舱适用的外部环境极端温度为-50℃～+55℃，舱体内部环境控制目标温度为+18℃～+25℃，相对湿度不大于75%，任何情况下无凝露，因此，按照舱内温度为+18℃，相对湿度为75%时，验算舱内表面是否会出现冷凝水。

（1）计算舱体内表面温度θi。

式中：ti—舱内计算温度，按照预制舱温度控制范围最小值取+18℃；

tе—舱外计算温度，根据乐山极端最低温度，取-2․9℃[14]；

n—温差修正系数，取1。经计算

（2）确定舱内空气中水蒸气最大分压力。

标准大气压时不同温度下的舱内空气中水蒸气最大分压力值可查供暖通风空调设计手册。当ti=18℃时，查得舱内空气中水蒸气最大分压力（水的饱和汽压）Pi·max=2 064․09（Pa）。

（3）计算室内空气中平均相对湿度ϕi=75%的分压力Pi。

（4）计算露点温度θa。当Pi=1 548․1（Pa）时，查得θa≈13․5（℃）。由于内表面温度17․08℃大于露点温度13․5℃，说明舱体内表面在温度最低且相对湿度最大的情况下，不会出现凝露和冷凝水。

（5）考虑冷桥情况下，外舱体转角处内表面是否会出现冷凝水。由于冬季冷桥现象易出现在外舱体转角处，因此需要对外舱体转角处的内表面温度θ′i进行校验，判断是否会出现“冷桥”现象。

式中：ξ—热阻比例系数。

由于外舱体转角处的内表面温度16․4℃大于露点温度13․5℃，所以外舱体转角处内表面也不会出现冷凝水。

从以上的验算可以看出，只要确保舱内温度不低于+18℃，即便在舱外温度最极端（-2․9℃），以及相对湿度最大（75%）时，舱体内都不会产生凝露；因此，防止预制舱内产生凝露的核心就是做好温度和湿度控制，即严格按照文献[3]的要求，确保舱内温度不低于+18℃；同时减少舱内湿度，确保相对湿度≤75%。

3 计及太阳辐射热的热环境及温控

要有效控制舱内温度，需要了解在乐山当地的气象条件下，基于玄武岩纤维复合材料的高性能纤维预制舱内冷热负荷情况，并基于此配置合理的温控设备。

3.1 预制舱底综合传热系数

预制舱底采用0․002 m厚度的钢板，中间为0․2 m高度的钢支架和空气夹层，其上铺设30 mm厚度的陶瓷防静电地板，具体参数如表2所示。

表2 预制舱底各层壁厚及传热系数

按式(3)，计算可得预制舱底综合传热系数λ舱底。

3.2 计及太阳辐射热的预制舱热工研究

预制舱体在进行实际的传热过程中，不仅存在两侧空气温差引起的热损失Qte-ti，还存在由太阳辐射的热损失Qsol和天空辐射的热损失-Qs。预制舱结构的净热损失Qnet为这三部分的代数和，即Qnet=Qte-ti+Qsol+(-Qs)。此时，用有效传热系数来表征其传热过程强烈程度，记为Keft=Qnet/(te-ti)。由于Qsol和Qs不易直接获得，可通过计算太阳辐射和天空辐射修正系数εR，然后用εR乘以常规方法计算出的传热系数λ后获得，即Keft=εR·λR[15-16]。

根据传热学原理，有效传热系数定义为

式中：λ—传热系数W/(㎡·k)；

ti—室内干球温度，℃；

tₑ—室外干球温度，℃；

ts․eq—天空辐射当量温度，℃；

tsol․eq—太阳辐射当量温度，℃。

由Keft=εR·λ，得：

式中：ρ—外表面的太阳辐射吸收系数；

IH—水平面上的太阳辐射照度，W/㎡；

ɑe—外表面对流换热系数，W/(㎡·k)。

天空辐射当量温度ts․eq的计算方法如下：

式中：ɑer—辐射换热系数，W/(㎡·k)；

ts—当量天空温度，℃；

CH—低云量修正系数；

H—低云量昼夜平均值；

CM—中云量修正系数；

M—中云量昼夜平均值。

提问贯穿整个教学过程，能够引导学生的思维由较低层次向较高层次发展，促成学生逻辑性、批判性和创造性等高级思维能力的形成。根据提问内容以及认知层次,布鲁姆(1956)将问题分为知识类、理解类、运用类、分析类、综合类及评价类。该文主要根据布鲁姆的问题分类对教师的提问进行分析。这六类问题涉及六个层次的认知能力，思维能力层层深入。

辐射换热系数为

根据以上公式和预制舱内最高环境控制温度，结合四川省乐山市夏季极端最高温度数据（+36․8℃），可以计算出天空辐射修正系数εR和预制舱的有效传热系数。

室内干球温度ti=25（℃），室外干球温度tₑ=36․8（℃），通过试验测得的玄武岩纤维复合预制件的太阳辐射吸收系数ρ=0․71，水平面上的太阳辐射照度IH=1100（W/㎡），预制舱外表面对流换热系数ɑe=19[W/(㎡·k)]，半球发射率ε=0․81，低云量修正系数CH=0․68，低云量昼夜平均值H=0․13，中云量修正系数CM=0․47，中云量昼夜平均值M=0․27[17]。通过计算，天空辐射修正系数εR=4․322。

由于预制舱顶与预制舱体的材质一样，故舱顶的有效传热系数等于舱体的有效传热系数，即Keft=εR·λ。预制舱底下方为混凝土基础电缆沟，空气对流速度较低，不论冬季还是夏季，舱底都无太阳辐照，因此舱底有效传热系数Keft即为综合传热系数λ，预制舱有效传热系数见表3。

表3 预制舱有效传热系数w（/m2·k）

3.3 预制舱冷热负荷研究

预制舱要防凝露，控制舱内环境温度是关键，而要精准控制舱内环境温度，必须准确掌握舱内冷热负荷情况。

以该110 kV变电站工程为例，预制舱外形尺寸长L=26․4 m，高H=3․4 m，宽D=5․0 m，37面二次设备机柜呈双列布置。按照预制舱内环境温度控制要求，结合乐山市环境极端温度，当预制舱外环境温度为极端最高温度+36․8℃时，舱内最高环境温度应不超过+25℃，温差△T=11․8（℃）；当预制舱外环境温度为极端最低温度-2․9℃时，舱内最低环境温度应不低于+18℃，温差△T=20․9（℃）。

预制舱内设备运行发热、空调、加热器补偿热功率和外部环境温度通过预制舱围护结构的渗入，太阳辐射热是主要热源，在计算预制舱渗入热时，通过舱体、舱顶和舱底的渗入热和渗出热应为各部分有效换热表面积，即应扣除围护结构壁厚。

预制舱各部分围护结构的渗入（出）热按式（19）计算：

Keft—预制舱有效传热系数，W/(㎡·k)

S—围护结构有效传热面积，㎡

△T—温差，℃。

表4为该预制舱体、舱顶和舱底扣除围护结构壁厚后的有效传热面积和依式（19）计算的极端最高温度渗入热QSG和极端最低温度运行时的渗出热QSD。

表4 预制舱有效传热面积及极端温度运行渗入(出)热

极端最高温度时通过围护结构渗入的热量总和QSGZ=1 170․71（W）；极端最低温度时通过围护结构渗出的热量总和QSDZ=2 073․54（W）。

根据文献[18]，该工程项目预制舱内二次屏柜共37面，每面散热功率按200 W/面计算；后台计算机系统3套，每套散热功率按900 W/套计算，可得预制舱设备运行散热量Qe＝200×37+900×3=10 100（W）。

综上可得，极端最高温度时预制舱内总发热负荷QF=QSGZ+Qe=11 270․71（W）；极端最低温度时预制舱内总散热负荷QS=QSDZ+Qe=12 173․54（W）。

3.4 预制舱温度控制设计方案

预制舱采用空调、加热器进行舱内温度调节时，根据上述计算结果，空调制热量应大于12 173․54 W，制冷量应大于11 270․71 W，考虑设计冗余后，选用3台（两主一备）制热功率为7 550 W、制冷功率为7 510 W，循环风量为1 400 m3/h，温度调节范围为+15ºC～+30℃的分体落地式工业空调即可满足舱体的温度调节要求；同时，为了保证极端低温下空调启动和温度保持，可以在舱内配置1台加热功率为1 200 W强制风冷加热器。

4 预制舱湿度控制设计方案

4.1 增强舱体密封性能

重点考虑底框缝隙、舱体缝隙、舱顶缝隙、舱体电缆进出线、舱门的密封措施，尤其是对于因舱体过大需分段运输至变电站建设现场再行拼缝的舱体，应在拼缝处预埋钢板，双面焊接，焊缝长度25～30 mm，间距150 mm，拼缝处填充发泡剂并按1:2比例填充水泥砂浆灰，表面再刮水泥灰粘贴丙纶网格布，对于舱顶拼缝的密封还要整体热铺防水卷材，卷材上做喷石保护层。

此外，采取舱体电缆进出线位置加装硅橡胶，通风孔加装防水罩，凡能开启的门板加装三元乙丙材料制作的密封条等措施，增强预制舱的密封性能，避免潮气进入舱体出现凝露现象。

4.2 合理配置舱内湿度控制设备

除湿机根据预制舱空间大小及现场环境配置，相对湿度为60%～80%时，按50㎡配置1台除湿机计算。本工程预制舱面积为121․3㎡，除湿机数量n=121․3/50=2․426（台），故在舱内配置3台除湿量为20 L/D（30℃80%RH），单台除湿面积约为50～70 m2的除湿机可满足湿度控制要求。

5 结语

以应用于四川省乐山市某110 kV智能变电站的基于玄武岩纤维复合材料的高性能纤维预制舱为研究对象，针对如何控制智能变电站高性能纤维预制舱的舱内温度和湿度，以防止产生凝露问题，提出了科学的舱内温湿度控制设备的配置方案。通过采用工程热力学原理，计算了预制舱体热工性能，对舱内是否会出现冷凝水进行了创新性的验算，研究了计及太阳辐射下的预制舱热工参数以及舱内冷热负荷，计算了控制舱内温控设备换热制冷需求量和控制舱内除湿设备除湿需求量，据此做出的温湿度控制设备配置方案设计，可以有效将舱内温湿度指标控制在规范要求的参数范围内，从而实现预制舱内任何情况下无凝露发生。