基于流體仿真的GIS匯控柜防凝露控制策略研究

張記飛，劉英男，郭 源，鄒立升

（1.國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，臨沂276002；2.山東大學 電氣工程學院，濟南250061）

GIS 匯控柜是對一次電氣設備進行二次控制、測量和監(jiān)視等功能低壓裝置集中布置和安裝。匯控柜內凝露時柜內或柜門玻璃窗凝結水痕，易引發(fā)電氣短路、受潮設備嚴重放電、內部元器件霉變等問題，存在運行安全隱患[1]。

研究表明凝露的產生與溫度（℃）、濕度（%RH）兩個要素緊密相關[2]，為了降低凝露現(xiàn)象給匯控柜帶來的危害，提高電力系統(tǒng)的運行可靠性，相關研究機構進行了大量的研究，常見防凝露措施有濕度控制法和溫度控制法[3-6]。濕度控制法采用柜內安裝除濕器，但柜內部分區(qū)域出現(xiàn)凝露情況，除濕器只能做到局部除濕；溫度控制法是指通過加熱器等溫控設備升高柜內壁溫度，使之始終高于柜內空氣的露點溫度以實現(xiàn)防凝露。未考慮除濕裝置的安裝位置對除濕效果的影響，會造成匯控柜內部局部凝露。針對某220 kV 變電站典型匯控柜，建立典型柜體模型，采用fluent 流體仿真[7-9]，選取風扇、除濕器的最佳安裝位置，通過實驗數(shù)據(jù)和理論分析提出匯控柜環(huán)境溫濕度控制策略。

1 仿真分析

1.1 柜體建模

選取某220 kV 變電站220 kV 1 號母線PT 智能組件柜進行設計建模，柜體外觀如圖1所示，匯控柜尺寸高×寬×深：2000×800×800 mm。

圖1 柜體模型Fig.1 Cabinet model

1.2 流體仿真

采用gambit 軟件建立匯控柜物理模型，并劃分網(wǎng)格，然后倒入fluent 軟件進行流體仿真，湍流模型根據(jù)實際情況采用工程仿真常用模型（standardk-∈湍流模型），開啟能量方程，考慮重力因素，進風扇和除濕風扇采用質量流量入口邊界條件，排風扇采用壓力出口邊界條件。

本文建立如下控制方程：

連續(xù)性方程為

動量方程為

能量方程為

質量輸運方程為

式中：ρ 為濕空氣的密度；Yi為組分i 的質量分數(shù)；D為濕空氣擴散系數(shù)；Sm為質量能源；SE為能量源項；mv為水蒸氣的冷凝速率；γ 為水蒸氣的汽化潛熱。

ρ 濕空氣的密度計算公式為

SE能量源項計算公式為

Sm質量能源計算公式為

水蒸氣冷凝速率計算公式為

排風扇的典型流體曲線如圖2所示。

圖2 風扇參數(shù)曲線Fig.2 Fan parameter curve

根據(jù)柜體結構和風扇流體曲線參數(shù)進行流體仿真，仿真目標是氣體在柜內充分流動，消除柜內局部凝露?，F(xiàn)場運行匯控柜不易開過多風扇安裝孔，因此選取2 個一進一出風扇，同時除濕器自帶風扇，因此設置3 個風扇內部布置，仿真位置結合經(jīng)驗，設置如表1所示。

表1 仿真設置Tab.1 Simulation settings

1.3 仿真結果

仿真A 風扇對側布置，出風口風扇布置在距離頂部30 cm，進風口風扇布置距頂部30 cm 的位置，上進下出，有除濕風扇設置，仿真結果如圖3所示。

圖3 仿真A 空氣流動軌跡及流動速度分布Fig.3 Simulation A air flow trajectory and flow velocity distribution

仿真B 風扇對側布置，出風口風扇布置在距離頂部30 cm，進風口風扇布置距頂部30 cm 的位置，上進下出，有除濕風扇設置，頂部有出風口，仿真結果如圖4所示。

圖4 仿真B 空氣流動軌跡及流動速度分布Fig.4 Simulation B air flow trajectory and flow velocity distribution

仿真C 風扇對側布置，進風口風扇布置在距離底部30 cm，出風口風扇布置距頂部30 cm 的位置，下進上出，有除濕風扇設置，仿真結果如圖5所示。

圖5 仿真C 空氣流動軌跡及流動速度分布Fig.5 Simulation C air flow trajectory and flow velocity distribution

仿真D 風扇對側布置，進風口風扇布置在距離底部30 cm，出風口風扇布置距頂部30 cm 的位置，下進上出，有除濕風扇設置，仿真結果如圖6所示。

圖6 仿真D 空氣流動軌跡及流動速度分布Fig.6 Simulation D air flow trajectory and flow velocity distribution

1.4 仿真結論

對比仿真A～D 的結果，其中仿真A，B 和D 的氣流軌跡分布存在多處局域氣體不均勻的情況；仿真C 風扇對側布置，進風口風扇布置在距離底部30 cm，出風口風扇布置距頂部30 cm 的位置，下進上出，有除濕風扇設置，可達到充分擾動整個匯控柜流場的效果。

2 現(xiàn)場測試

2.1 測試環(huán)境

在匯控柜內安裝主控終端采集封閉匯控433 MHz 無線通信將數(shù)據(jù)匯總到站內集中通信模塊，集中通信模塊通過4G 網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸回系統(tǒng)平臺[10-13]。為測試不同安裝位置防凝露的效果，在某220 kV 站內設置實驗柜和對比柜，對溫濕度數(shù)據(jù)進行連續(xù)記錄。

1）實驗柜待用Ⅶ218 匯控柜按照模式C 的位置安裝。

2）對比柜待用Ⅵ217 匯控柜按照模式A，B，D的位置安裝。

在不同運行模式下，選取相同時間段，根據(jù)初始值和末端值的差值比較分析不同安裝位置的效果。溫差是影響凝露的關鍵因素，露點溫度的初始值和末端值越大，則除濕效果越好。露點溫度是指在水蒸氣含量以及氣壓均不改變的情況下，空氣冷卻至飽和空氣時的溫度，計算公式為[14-16]

式中：EW為水上飽和水蒸氣的壓力；RH為相對濕度；Dp為露點溫度。

2.2 模式C 與模式A 對比

選取2020年8月20日18：00 至19：00 作為實驗數(shù)據(jù)采集段，實驗數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)對比Tab.2 Data comparative

2.3 模式C 與模式B 對比

選取2020年8月21日19：00 至20：00 作為實驗數(shù)據(jù)采集段，實驗數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)對比Tab.3 Data comparative

2.4 模式C 與模式D 對比

選取2020年8月22日18：00 至19：00 作為實驗數(shù)據(jù)采集段，實驗數(shù)據(jù)對比如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)對比Tab.4 Data comparative

2.5 實驗總結

通過以上實驗數(shù)據(jù)對比可以看出，模式A，B，C，D 的風扇安裝位置均能起到降低柜內露點溫度的作用，其中，模式C 在降低露點溫度和除濕效果上最好，驗證了流體仿真的準確性。實驗過程中，可以發(fā)現(xiàn)風扇對溫度有明顯作用，除濕器對濕度有明顯作用。持續(xù)監(jiān)測2020年8月整月數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)晚上18：00 到次日6：00，溫度持續(xù)下降，濕度持續(xù)上升，這個時間段為凝露高發(fā)期。通過實驗數(shù)據(jù)分析，在濕度未達到80%時，單獨開風扇，可抑制凝露發(fā)生，而柜內濕度達到80%，柜內外溫差大于等于3 ℃時，單獨開風扇也會產生凝露，此時加入除濕控制，可破壞凝露發(fā)生的條件。

3 控制策略

3.1 數(shù)學模型

通過實驗數(shù)據(jù)，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。根據(jù)凝露發(fā)生的機理，以控制露點溫度和柜內外溫度差為主要判據(jù)，通過監(jiān)測匯控柜內溫濕度、環(huán)境溫濕度變化來控制柜內溫濕度，使柜內露點溫度低于柜外溫度，破壞露點產生的條件，主動防止凝露的發(fā)生。

在夏季，易發(fā)生凝露的時段為18：00 到次日6：00 和雨后，外部溫度降低，柜內濕度上升，柜內溫度高于柜外溫度，濕氣遇冷（柜內壁溫度低于柜內露點溫度）易形成凝露。通過露點溫度和柜外溫度判定匯控柜內是否出現(xiàn)凝露，在未出現(xiàn)凝露的狀態(tài)下，當環(huán)境溫度逐漸升高時，露點溫度均低于環(huán)境溫度，不能形成凝露，此時無需控制柜內溫濕度。當露點溫度接近柜內溫度時，凝露易發(fā)生，因此在露點溫度和柜外溫度差逐漸減小時，執(zhí)行相應控制手段。

防凝露關聯(lián)變量包括柜內溫濕度、柜外溫濕度、風扇和除濕器開關的邏輯變量。不同的邏輯變量構成不同的匯控柜內溫濕度動態(tài)特性。

數(shù)學模型為

式中：T內為柜內溫度；RH內為柜內濕度；Td 為柜內露點溫度。

由凝露原理可知，RH內＜80%時，露點溫度受柜內溫度影響較大；RH內≥80%時，露點溫度受柜內溫濕度影響都比較大。

3.2 控制策略

定義T外為柜外溫度；RH外為柜外相對濕度；k1為風扇開關量；k2為除濕器開關量，取值為0，1。

（1）風扇控制策略：柜內濕度大于柜外濕度或柜內溫度高于柜外溫度，啟動風扇，循環(huán)柜內外氣體，降低柜內外溫差。

RH內>RH外或T內>T外，k1=1。

（2）除濕控制策略：柜內濕度達到80%，柜內外溫差大于等于3 ℃時，開啟除濕。

RH內≥80%且T內-T外>3，k2=1。

4 結語

三種措施中，風扇對溫度有明顯作用，除濕器對濕度有明顯作用。溫度是影響凝露的關鍵因素，說明風扇防止凝露的效果比除濕器防止凝露的效果好。除濕風扇控制策略：柜內濕度大于柜外濕度或柜內溫度高于柜外溫度，啟動風扇，循環(huán)柜內外氣體，降低柜內外溫差；柜內濕度達到80%，柜內外溫差大于等于3 ℃時，開啟除濕。除濕器單價上千元，而兩個風扇價格僅為幾十元，用單價較低的風扇來配合除濕器進行溫濕度調節(jié)，延長除濕器使用壽命，降低除濕器故障率，降低匯控柜凝露風險，經(jīng)濟性大大提高。