基于多傳感器信息融合的匯控柜環(huán)境綜合治理策略

張記飛，鄒立升，郭 源，李增賀，陳 玉

（國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276002）

0 引言

匯控柜目前已在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。匯控柜為封閉式設(shè)計(jì)，在內(nèi)部封閉部分易產(chǎn)生潮濕空氣，引發(fā)電氣短路、受潮設(shè)備放電、內(nèi)部元器件霉變等問題，存在安全隱患［1-7］。由于電纜溝與匯控柜電纜進(jìn)線處封堵不嚴(yán)，潮濕空氣易進(jìn)入柜內(nèi)，柜外溫度劇烈變化，當(dāng)柜內(nèi)相對濕度較高、柜內(nèi)外溫差較大時(shí)，柜體內(nèi)環(huán)境空氣中不飽和水蒸氣瞬間飽和，形成凝露［8-9］。

為解決匯控柜凝露問題，專家學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)研究。文獻(xiàn)［10］提出了溫度控制法和濕度控制法聯(lián)合防凝露的方案；文獻(xiàn)［11］給出了2種加強(qiáng)通風(fēng)防凝露的方案；文獻(xiàn)［12］通過比較目前常用的3種柜體加熱防凝露方案的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型中置柜加熱除濕裝置；文獻(xiàn)［13］采用低功率遠(yuǎn)紅外加熱器配合小排量風(fēng)扇的方式達(dá)到端子箱防凝露的目的；文獻(xiàn)［14］采用升高柜內(nèi)溫度防凝露的方法。綜上所述，增加柜內(nèi)溫度尤其是內(nèi)壁的表面溫度以及加強(qiáng)柜內(nèi)通風(fēng)是現(xiàn)階段較為常用的防凝露方案。但是，上述裝置和模型缺乏對每種方案實(shí)際應(yīng)用效果的定量研究。

研究凝露發(fā)生機(jī)理，分析溫濕度變化對露點(diǎn)溫度的影響和凝露發(fā)生原因，提出一種基于多傳感器信息融合的匯控柜環(huán)境綜合控制策略，并通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證控制策略的有效性。

1 凝露原理

凝露現(xiàn)象是指物體表面溫度下降至低于露點(diǎn)溫度時(shí)，內(nèi)壁表面會發(fā)生水珠凝結(jié)現(xiàn)象。凝露與柜外和柜內(nèi)的溫度、相對濕度和露點(diǎn)溫度等因素有關(guān)［15-16］。露點(diǎn)溫度是指在水蒸氣含量以及氣壓均不改變情況時(shí)，空氣冷卻至飽和空氣時(shí)的溫度。相對濕度是指在一定時(shí)間內(nèi)，某處空氣中所含水蒸氣量與該氣溫下飽和水蒸氣量的百分比。計(jì)算公式為［2］：

式中：EW為水上飽和水蒸氣的壓力；RH為相對濕度；Dp為露點(diǎn)溫度；T為溫度。

1.1 溫濕度對露點(diǎn)溫度影響程度分析

相對濕度、溫度以及露點(diǎn)溫度之間的關(guān)系如圖1所示。相對濕度不變時(shí)溫度與露點(diǎn)溫度的關(guān)系、溫度不變時(shí)相對濕度與露點(diǎn)溫度的關(guān)系分別如圖2和圖3所示。

圖1 相對濕度、溫度與露點(diǎn)溫度關(guān)系

由圖2 和圖3 可知，溫度不變時(shí)露點(diǎn)溫度隨相對濕度增大而增大，相對濕度不變時(shí)露點(diǎn)溫度隨溫度升高而增大。在一定溫度條件下，相對濕度越高，凝露溫度越接近環(huán)境溫度，即環(huán)境溫度越接近露點(diǎn)溫度，凝露越容易發(fā)生。即凝露是否發(fā)生和溫度有關(guān)。

圖2 相對濕度不變時(shí)溫度與露點(diǎn)溫度關(guān)系

圖3 溫度不變時(shí)濕度與露點(diǎn)溫度關(guān)系

進(jìn)行試驗(yàn)仿真，在密閉空間內(nèi)，相同溫度下，分析水蒸氣冷凝成水與相對濕度之間的關(guān)系，如圖4所示。冷凝速率與初始相對濕度成正比，相對濕度越高，水蒸氣也就越容易凝結(jié)成水。凝露發(fā)生時(shí)水蒸氣凝結(jié)成水的速率和析出量與相對濕度大小有關(guān)。

圖4 不同濕度下水蒸氣冷凝速度變化趨勢

通過凝露機(jī)理的分析發(fā)現(xiàn)，為消除凝露的發(fā)生，應(yīng)主動(dòng)控制柜內(nèi)溫度，平衡柜內(nèi)外溫度差。

1.2 溫濕度監(jiān)測方案及測試

在匯控柜內(nèi)安裝采集終端，采集匯控柜內(nèi)外溫濕度等信息，并通過433 MHz 頻段無線通信將數(shù)據(jù)匯總到站內(nèi)集中通信模塊，集中通信模塊為邊緣代理網(wǎng)關(guān)，通過以太網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳輸回站內(nèi)監(jiān)控平臺，監(jiān)測方案如圖5所示。

圖5 監(jiān)測方案

在某220 kV 變電站加裝監(jiān)測裝置，在匯控柜內(nèi)上下多點(diǎn)以及柜外安裝溫濕度傳感器，獲取匯控柜內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示。

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，柜內(nèi)平均相對濕度為72%，平均溫度為21.65 ℃，柜外平均相對濕度為80%，平均溫度為20.5 ℃，露點(diǎn)溫度為15.76 ℃。

從圖6中可看出，露點(diǎn)溫度一直低于環(huán)境溫度，未達(dá)到凝露發(fā)生條件，現(xiàn)場匯控柜也未出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

圖6 監(jiān)測溫濕度參數(shù)及露點(diǎn)溫度變化

2 控制策略

根據(jù)凝露發(fā)生的機(jī)理，通過監(jiān)測匯控柜內(nèi)溫濕度、環(huán)境溫濕度來控制柜內(nèi)溫濕度，預(yù)防凝露發(fā)生。采用常規(guī)方式，計(jì)算柜內(nèi)露點(diǎn)溫度，根據(jù)柜內(nèi)外溫度、相對濕度差進(jìn)行條件判決，破壞露點(diǎn)產(chǎn)生的條件，主動(dòng)防止凝露的發(fā)生。采用除濕器功率為40 W，風(fēng)扇功率為30 W。

匯控柜除濕裝置運(yùn)行模式如表1所示。

表1 除濕裝置運(yùn)行模式

風(fēng)扇控制原理：1）當(dāng)外部溫度低于內(nèi)部溫度，開啟風(fēng)扇，降低匯控柜內(nèi)溫度；2）當(dāng)內(nèi)部濕度大于外部濕度，開啟風(fēng)扇，降低相對濕度，從而降低匯控柜內(nèi)露點(diǎn)溫度。只要滿足上述任一條件，風(fēng)扇開啟。

除濕器控制原理：通過閾值設(shè)定自動(dòng)控制除濕器的啟停，將匯控柜內(nèi)濕度閾值設(shè)定為50%，柜內(nèi)濕度大于50%，開啟除濕。

AB 聯(lián)合控制：風(fēng)扇和除濕器滿足啟動(dòng)條件，自動(dòng)開啟，同步除濕。

停運(yùn)：風(fēng)扇和除濕器均不工作。

針對上述分析，設(shè)計(jì)控制策略如圖7所示。

圖7 控制策略流程

定義柜內(nèi)最低溫度T0，柜內(nèi)空氣溫度T1，柜外環(huán)境溫度T2，柜內(nèi)濕度S1，柜外環(huán)境濕度S2，除濕器開啟閾值S3，露點(diǎn)溫度Td，控制策略為：

1）當(dāng)T0≥T2，S1＞S2，S1＞S3，開啟除濕器除濕，開啟排風(fēng)扇，關(guān)閉加熱器；

2）當(dāng)T0≥T2，S1＞S2，S1≤S3，關(guān)閉除濕器除濕，開啟排風(fēng)扇，關(guān)閉加熱器；

3）當(dāng)T0≥T2，S1≤S2，S1＞S3，開啟除濕器除濕，關(guān)閉排風(fēng)扇，關(guān)閉加熱器；

4）當(dāng)T0≥T2，S1≤S2，S1≤S3，關(guān)閉除濕器除濕，關(guān)閉排風(fēng)扇，關(guān)閉加熱器；

5）當(dāng)T0＜T2，S1＞S2，S1＞S3，T0≤Td，開啟除濕器除濕，開啟排風(fēng)扇，開啟加熱器；

6）當(dāng)T0＜T2，S1＞S2，S1＞S3，T0＞Td，開啟除濕器除濕，開啟排風(fēng)扇，關(guān)閉加熱器；

7）當(dāng)T0＜T2，S1＞S2，S1≤S3，T0≤Td，關(guān)閉除濕器除濕，開啟排風(fēng)扇，開啟加熱器；

8）當(dāng)T0＜T2，S1＞S2，S1≤S3，T0＞Td，關(guān)閉除濕器除濕，開啟排風(fēng)扇，關(guān)閉加熱器；

9）當(dāng)T0＜T2，S1≤S2，S1＞S3，T0≤Td，開啟除濕器除濕，關(guān)閉排風(fēng)扇，開啟加熱器；

10）當(dāng)T0＜T2，S1≤S2，S1＞S3，T0＞Td，開啟除濕器除濕，關(guān)閉排風(fēng)扇，關(guān)閉加熱器；

11）當(dāng)T0＜T2，S1≤S2，S1≤S3，關(guān)閉除濕器除濕，關(guān)閉排風(fēng)扇，關(guān)閉加熱器。

上述不同控制模式之間可以自適應(yīng)或遠(yuǎn)程控制方式自由切換，風(fēng)扇和除濕器控制參數(shù)可遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 測試驗(yàn)證

在運(yùn)行工況下，匯控柜外部溫度降低，柜內(nèi)濕度上升，柜內(nèi)溫度高于柜外溫度，濕氣遇冷（柜門溫度低于高溫高濕的露點(diǎn)溫度）在柜門處形成凝露。柜體表面溫度受環(huán)境溫度影響較大，柜體與外部熱交換程度和外部的溫度成正比。因此采用環(huán)境溫度作為柜體表面溫度參照值。

在4 種不同運(yùn)行模式下，選取相同時(shí)間段，分析不同控制措施效果。不同匯控柜采用的運(yùn)行模式如表2所示。

表2 不同匯控柜運(yùn)行模式

3.1 風(fēng)扇單獨(dú)控制

選取2020年8月15日11：56—13：56，站3匯控柜溫濕度變化趨勢如圖8 所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3 所示。

圖8 柜內(nèi)外溫濕度及內(nèi)部露點(diǎn)溫度變化趨勢

表3 狀態(tài)量變化

3.2 除濕器單獨(dú)控制

選取2020年8月15日11：56—13：56，站2匯控柜溫濕度變化趨勢如圖9 所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4 所示。

圖9 柜內(nèi)外溫濕度及內(nèi)部露點(diǎn)溫度變化趨勢

表4 狀態(tài)量變化

3.3 風(fēng)扇除濕器聯(lián)合控制

選取2020 年8 月15 日11：56—13：56，風(fēng)扇除濕控制策略如圖7所示進(jìn)行控制，站1匯控柜溫濕度變化趨勢如圖10所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表5所示。

圖10 柜內(nèi)外溫濕度內(nèi)部露點(diǎn)溫度變化趨勢

表5 狀態(tài)量變化

3.4 停運(yùn)

選取2020 年8 月15 日11：56—13：56，對比匯控柜溫濕度變化趨勢如圖11 所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表6所示。

圖11 柜內(nèi)外溫濕度及內(nèi)部露點(diǎn)溫度變化趨勢

表6 狀態(tài)量變化

選取2020 年8 月15 日00：02—23：45，停運(yùn)模式下柜內(nèi)外溫濕度及內(nèi)部露點(diǎn)溫度變化趨勢如圖12所示，通過溫濕度監(jiān)測的變化曲線可以看出，溫度升高時(shí)，相對濕度下降。凌晨和夜間易發(fā)生凝露，在上午時(shí)段，柜內(nèi)溫度隨柜外溫度升高而升高，且柜內(nèi)溫度低于柜外溫度。柜內(nèi)相對濕度雖然大于柜外相對濕度，但露點(diǎn)溫度變化微小，因此不會達(dá)到凝露條件。

圖12 停運(yùn)模式下柜內(nèi)外溫濕度及內(nèi)部露點(diǎn)溫度變化趨勢

4 結(jié)語

從工程實(shí)際出發(fā)，通過融合多傳感器信息計(jì)算露點(diǎn)溫度，提出降低露點(diǎn)溫度的控制策略。通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加控制措施能夠降低柜內(nèi)露點(diǎn)溫度，風(fēng)扇單獨(dú)運(yùn)行能夠增加柜內(nèi)氣體循環(huán)，降低柜內(nèi)溫濕度，能夠治理匯控柜凝露，而除濕器單獨(dú)運(yùn)行除濕效果不明顯。通過風(fēng)扇除濕器聯(lián)合控制試驗(yàn)，結(jié)果表明所提的控制策略能夠有效治理匯控柜凝露。