环网柜智能湿度监测及除凝露系统设计

谢小川，张隆斌，廖鹏飞，何浩，吴玉丰，冉卫华

（国网重庆市电力公司彭水供电分公司，重庆，400000）

0 引言

随着我国经济的持续稳步发展，居民生活及工商业等的用电量均日益剧增，这对电力系统的建设与发展提出了更高的要求，其中对电力系统供电可靠性的要求也是达到了一个前所未有的水准[1]，为了提高用户的用电稳定性，10kV 户外设备作为配电侧最重要的电能传输、分配的部分之一，其作用不言而喻[2]。作为配电侧的重要设备，环网柜承担着开关开合、电路控制及用电保护等诸多重要的任务，在电力系统发电侧、变电过程、输电环节以及配电侧均扮演着重要的角色[3]。

为了保障配电环网柜的稳定运行，一个不可忽视的重要因素即是其长期户外工作的环境条件。一般来说，密闭式的结构被广泛使用在配电环网柜等10kV 户外典型设备中，而以往的经验表明，在长期高温高湿、低温高湿的室外工作环境下，此类密闭式结构内部经常会出现由于缺乏散热除湿能力导致的局部过热、湿度超标等问题[4]，在设备表面甚至内部形成凝露，如果不对其进行即使处理，潮湿的环境则会损坏设备的电路元件，影响环网柜的正常运行，严重情况下可能还会烧毁设备的总电路，造成设备瘫痪，引发大面积停电，危害电力系统的供电可靠性[5]。

众所周知，凝露这种自然现象一般来说是无法完全避免且难以预测的，通常来讲，南方湿度较大的一些地区，昼夜温差大、温度变化剧烈的一些地区、地下室环境以及一些重湿度的特殊环境中的机柜产生凝露的频率非常高，此外，处于暂时停运状态的设备也经常遇到凝露问题，我国幅员辽阔，在北方地区，较大的昼夜温差，以及南方潮湿炎热的气候，皆满足了容易产生凝露的必要条件，户外电气设备容易发生由凝露引起的一系列故障。由此可见，表面甚至内部凝露现象已经成为一个长期困扰我国变电站户外设备的重要因素，并且大幅度提高了电力事故发生的可能性，由凝露引发的变电设备损坏及大规模停电事件时有发生，其造成的影响极其恶劣[6]。由此可见，调查户外环网柜设备凝露现象产生的机理并探索相关处理手段，对遏制凝露问题造成的户外设备的故障与损失有着极大的现实意义，也是提供我国电力系统供电稳定的有效途径[7]。

本文要设计了一种环网柜智能湿度监测及除凝露系统，该系统基于湿度传感器对设备内部的湿度数据进行收集后再传输至控制中心进行数据分析，在对数据进行智能诊断后，操作除湿设备开始工作或停止，由此实现对环网柜设备湿度的实时监测，并基于开发出的除湿装置降低空气湿度、去除凝露，从而避免环网柜设备由于凝露聚集发生故障。

1 环网柜智能湿度监测及除凝露系统结构组成

1.1 AM2320 传感器

准确且及时对环境湿度进行实时监测是湿度监测及除凝露系统设计的基础，一般来说，湿度传感器多与温度传感器多被设计为复合式传感器，具有同时监测温湿度的功能，下文简称其为温湿度传感器，目前市面上主流的温湿度传感器主要有两种，一类是基于接触式传感的湿度传感器，顾名思义，此类传感器通过与被测物理的直接接触测，通过热量交换来检测温度，其一个很大的弊端为，由于传感器与被测物理接触时两者必要的热量传输会导致温度的变化，从而使得湿度传感器的检测结果受到影响，对于用于高精度检测湿度的场合，检测精度难以保证。另一类温湿度传感器则可是不需要与被测物理接触的，湿度检测模块可以独立工作，不收到温度检测的干扰。考虑到上述原因，本文选择了AM2320非接触式数字湿度传感器，该传感器与上述介绍的温湿度传感器类似，也是一款可实现对温度、湿度同时检测的复合式传感器。在传感器内部，检测两个参量的元件，即检测湿度的电容式元件与检测温度的高精度集成元件，在执行检测任务时独立工作，并都由一个集成的微处理器控制。传感器的数据通信方式有两种协议，分别为标准 I2C 和单总线。采用该通信方式的优点在于其接口简单，采用4 根引线的信号输出方式，便于接线，且无需其他的布线，同时能支持较远的传输距离。此外，该设备的传感器已被提前校准，输出的数字信号即为精准的环境温度值和环境湿度值，不需要对输出信号进行任何计算处理和数值精度补偿。AM2320 传感器的外观如图1 所示，其长、宽、高分别为1.6cm，1.01cm 及0.35cm，外形小巧，不占据太多空间，便于传感器的安装，且不会影响设备内部的绝缘。

图1 传感器外形尺寸图

1.2 冷凝除湿装置

冷凝除湿装置通过接口与AM2320 传感器相连，该装置的核心组件为一个基于半导体材料的冷凝片，其它元件还包括一个小风扇以及设备的接口电路，该接口电路提供与AM2320相连的接口，连接微控制器的接口、基于485 协议的通信接口以及半导体制冷组件接口电路，此外，MEGA48 可编程微控制器也集成在此电路内。

首先简单介绍半导体冷凝除湿的基本原理，其实现方式基于塞贝克效应和珀尔帖效应，通过热电制冷这一基本原理达到使潮湿的空气中的水分子液化的目的。具体方式即为将N 型、P 型两种半导体材料串联，并紧密排列使其相互贴合。这样做的目的是在对设备通直流电时，由于N 型半导体与P 型半导体的材料特性，其内部的电子会发生不同朝向的转移，电子会大规模的从N 型半导体的一段转移到P 型半导体的一段，在这个过程中，热量也会随着电子发生转移，由此实现半导体材料N 端温度低，P 端温度高的现象。空气中的水分子在N 端附近会迅速释放热量，在冷凝板上冷凝成小水珠，在冷凝板上的小水珠聚集了一定的量后会形成水流从导管排出，从而降低设备内部的空气湿度，并去除设备内的凝露。该半导体材料的N 端的温度最低可以下降到零下30℃左右，空气中的水分子可以迅速达到露点以下，冷凝速度快，且功耗较低，冷凝除湿装置外形示意图如图2 所示，对各部分组件进行介绍，其中1 为ATMEGA16 智能控制器、2 为电源开关、3 为热敏电阻、4 为进风口，采用镂空设计、5 为太阳能板，可支撑设备在户外环境无源工作、6 为风扇、7 为N 型P 型半导体冷凝器、8 为冷凝蓄水池，收集冷凝水、9 为太阳能蓄电池、10 为隔潮支架，为橡胶材质、11 为电导线、12 为排水管道、13 为蜂鸣器、14 为LCD 显示屏及15 为AM2320 温湿度传感器。

图2 冷凝除湿装置外形示意图

接下来介绍，除湿装置中的半导体制冷组件接口电路，如图3 所示。设备通过HEADER6 接口，向半导体制冷片和直流小风扇分别提供12V 的直流的电源。同时，NTC 热敏电阻并应用来监测冷凝面的温度，该做法的目的在于给半导体制冷片提供反馈，防止冷凝面的温度过低，造成冷凝水结冰的情况，避免冷凝水由于温度过低无法排除，影响装置的除湿效果。此外，除湿装置电路中采用485 接口实现与微处理器的信号传输。

图3 半导体制冷组件接口图

1.3 智能控制单元

该装置的智能控制单元搭载了ATMEGA16 微控制器，通过485 通信接口进行通信。通过电容式的感湿元件和高精度集成测温元件采集到的设备内部温湿度的相关数据，采集的数据通过RS485 总线传输到基于ATMEGA16 微控制器电路的智能控制单元后，智能控制单元判断环网柜内环境的温度和湿度情况，实现控制半导体冷凝装置的启动和停止，冷凝装置采用基于塞贝克效应和珀尔帖效应的热电制冷原理，通过对半导体设备施加直流电进行制冷，从而使得潮湿的空气中的水分子冷却到露点以下，进而凝结到冷凝板上，冷凝板收集到一定量的水分后会形成流水通过水管流出，通过这种方式不断的凝结柜体内的潮湿空气的水分，并排出到柜体外，从而实现除湿的目的，由于湿度过高或过低都不利于设备的长期运行，因为程序将控制环网柜内的环境湿度长期保持在60%RH 左右，此外，还需保证冷凝板的环境温度在0℃以上，冷凝水不会因为温度过低而结冰。

2 环网柜智能湿度监测及除凝露系统基本工作流程

本系统采用图1 所示的AM2320 非接触式数字湿度传感器，分别依靠其中的电容式的感湿元件和高精度集成测温元件对环网柜内部的温、湿度进行采集，采集的数据通过RS485总线传输到基于ATMEGA16 微控制器电路的智能控制单元后，智能控制单元将对设备内环境的温湿度情况进行智能诊断，具体来说，设置标准为：如果环网柜内的湿度高于60%RH，启动半导体冷凝装置，反之则停止工作；如果环网柜冷凝板的温度低于0℃，半导体冷凝装置也会被强制停止工作。通过这种方式不断的凝结柜体内的潮湿空气的水分到冷凝板上，并在收集到一定量的水分后，形成流水通过水管流出，排出到柜体外，实现空气除湿的目的；在空气湿度低于60%RH 时，控制半导体冷凝装置的停止，以使得设备内部环境的湿度长期处于60%RH 左右。此外，该系统还设置有报警功能，在温湿度传感器监测到的湿度持续较高，控制半导体冷凝装置连续工作十次时，系统判断设备内部的湿度已经无法通过半导体冷凝装置降低，ATMEGA16 控制蜂鸣器发出报警信号，设备的工作流程如图4 所示。

图4 环网柜智能温湿度监测及除凝露系统基本工作流程

3 结语

本文设计的凝露系统可以通过监测环网柜内部环境温度和湿度，并通过RS485 总线传输至智能终端，根据设定的温度和湿度上限制值，控制除湿装置工作，降低环网柜中空气湿度，防止环网柜受到凝露影响，并在设备内部湿度持续过高时自动生成报警事件，防止环网柜设备由于长期处于高湿度环境下腐蚀损坏，可极大的提升配网的供电可靠性，具有一定的现实意义和可推广性。