基于熱-流-濕多物理場仿真的惡劣天氣GIS預制艙凝露研究

彭棟梁，牛海清，林濤，張堯，杜兆斌，韓風琴，周繼承

(1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641；2.南方電網廣東東莞供電局，廣東 東莞 523120)

預制艙變電站是由預制艙艙體、二次設備屏柜、各種功能的電氣柜、艙體輔助設施等組成，在工廠內提前完成制作、組裝、配線等工藝，并作為一個整體模塊運至工程現(xiàn)場的工作單元[1]。預制艙及內部的設備由廠家集成，大大減少了現(xiàn)場二次接線、調試等工作，簡化了檢修維護工作，縮短了變電站建設周期，有效實現(xiàn)了電網的快速建設[2]。

廣東地處沿海，屬亞熱帶季風氣候，高溫高濕環(huán)境容易引起戶外預制艙的腐蝕?！盎啬咸臁?華南地區(qū)春季氣溫回暖且濕度增大而導致的返潮現(xiàn)象)或大幅降溫時，預制艙內通風效果差、散熱或者加熱不及時，導致艙內空氣中水蒸氣過飽和，設備表面會發(fā)生凝露[3]。凝露水腐蝕設備金屬，降低其絕緣性能和機械強度，對電網穩(wěn)定性、安全性構成威脅。

防凝露技術研究包括試驗法和數(shù)值仿真。試驗法研究溫度控制法、濕度控制法等方法的防凝露效果[4]。陸朝陽等[5]提出優(yōu)化艙體結構以保證密封性和保溫性，同時在敏感位置設置加熱和除濕功能裝置的防凝露方法。張國清[6]研發(fā)以太陽能為熱源、可通風除濕的智能環(huán)網柜，延長了電纜頭和隔離開關的工作壽命。豐田章男等發(fā)現(xiàn)了一種調濕聚合物，可用于預防架空終端封閉裝置中冷凝導致的電信電纜絕緣失效[7]。

數(shù)值仿真的結果可擬合設備的熱環(huán)境參數(shù)公式，以分析通風口風速、形狀等因素對設備內流場及濕度的影響。Patania[8]、Degraciaa[9]分別開展了保溫隔熱結構的傳熱特性理論計算和數(shù)值模擬，基于板塊理論得到隔熱層傳熱系數(shù)的經驗公式。黃孟丹[10]等建立高壓同軸GIS母線三維磁熱耦合模型，計算母線歐姆損耗和外殼中的渦流損耗，但未計算流體場。王振芹[11]等基于GIS母線熱流磁場耦合有限元模型，計算GIS母線導體、外殼的溫度分布，但對流公式仍采用解析法。張偉、朱政國等基于有限元方法對智能環(huán)網柜防凝露方法展開研究，研究環(huán)網柜尺寸大小、通風口尺寸及形狀對環(huán)網柜通風效果的影響[12]，但沒有充分考慮熱流場的相互耦合。

為了模擬預制艙變電站的實際工況，充分考慮艙內熱流場的耦合及其對艙內水蒸氣傳輸、凝露形成過程的影響，本文以GIS艙為研究對象，建立艙內在熱傳導、熱對流、水蒸氣傳遞和擴散作用下的熱-流-濕度場耦合的仿真模型；加載實測的廣州氣象數(shù)據，研究預制艙內溫度和濕度的分布規(guī)律，以及大幅降溫和“回南天”時艙內凝露的形成及其時間和位置。

1 熱-流-濕多物理耦合場數(shù)學模型

1.1 典型的GIS預制艙結構及其多物理場效應

本文研究的110 kV GIS艙主要由艙體、GIS密封設備(內含SF6絕緣氣體)、匯控柜、開關柜等結構組成。

預制艙內GIS母線中的電流會在導體中產生焦耳熱，在外殼中產生渦流損耗而影響艙內的溫度分布；艙外壁和外界環(huán)境存在對流換熱。以上熱流在平衡過程中會引起空氣的對流和水蒸氣的傳遞，因此預制艙及其設備的運行涉及到流場、熱場和濕度場的共同作用。

1.2 多物理場數(shù)學模型

1.2.1 熱場仿真數(shù)學模型

預制艙內部存在熱傳導、熱對流、熱輻射，其控制方程為[13]：

(1)

(2)

Φ=ε0Aσ(T14-T24).

(3)

式(1)—(3)中：ρ為密度；Cp為恒壓熱容；v為流速；T為溫度；t為時間；q為熱流密度；Q為熱源；λ為導熱系數(shù)；Φ為輻射熱量；ε0為物體表面輻射率；A為輻射面表面積；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常量；T1、T2為2個輻射體的溫度。

1.2.2 流場仿真數(shù)學模型

經計算，艙內流場格拉曉夫數(shù)為1.25×1012，因此采用湍流k-ε模型[14]來求解預制艙內部空氣的速度分布。考慮流體力學質量守恒、動量守恒和能量守恒，控制方程分別為：

(4)

(5)

(6)

(7)

μT=ρCμk2/ε,

(8)

(9)

1.2.3 濕度場數(shù)學模型

充分考慮預制艙內空氣中的水蒸氣對流、擴散過程，其控制方程為：

(10)

(11)

cv=φwcsat.

(12)

式(10)—(12)中：Mv為水蒸氣的摩爾質量；cv為水蒸氣濃度；gw為水蒸氣通量；G為濕度場源項，取值為0；D為水蒸氣在空氣中的擴散系數(shù)；φw為相對濕度；csat為水蒸氣飽和濃度。式(10)從左至右分別為時變項、對流項、擴散項、濕氣源項。

1.3 多物理場的相互耦合關系

式(1)—(12)將艙內空氣的壓強、溫度和相對濕度耦合在一起，共同決定了預制艙內空氣的屬性參數(shù)。上述3個物理場之間的兩兩耦合通過COMSOL-MULYIPHISICS中的多物理場接口來實現(xiàn)，非等溫流動用于耦合熱流場，熱濕傳遞接口用于耦合熱場和濕度場，水汽輸送用于耦合湍流場和濕度場。全耦合關系如圖1所示[15]。

圖1 預制艙內多物理場之間的耦合關系Fig.1 Coupling relationship between multiphysics fields within prefabricated cabin

除了上述耦合關系外，考慮到熱流場之間的強耦合關系，模型中還考慮了水蒸氣壓力變化做的功Qp、湍流中的黏性耗散Qvd，這2項作為傳熱方程中的熱源項。其具體表達式分別為：

(13)

(14)

式(13)、(14)中：pA為絕對壓強；τ為耗散系數(shù)；Qturb為因湍流傳遞的熱量?？紤]這2項，式(1)變換為

(15)

同時，式(4)—(9)中的流體密度ρ修正為ρ(T,|p|,cv)，動力粘度μ修正為μ(T,|p|,cv)，式(12)中的相對濕度φw修正為φw(T,|p|,cv)。

通過熱源項、對流項、氣體屬性對物理場變量的依賴關系，完成了多物理場之間的相互耦合。

2 仿真幾何模型及其流程

2.1 幾何模型和材料參數(shù)

2.1.1 預制艙內設備的簡化與等效

GIS內部采用SF6絕緣，其中各種設備大小形狀參差不齊，本研究不關注GIS設備內部的運行情況，不考慮設備的電磁效應，重點探索艙內及設備表面溫度和濕度的變化，因而采用與外殼同軸的導體來等效GIS內部設備，仿真時在同軸導體上施加與母線歐姆損耗等值的熱源。由于匯控柜和開關柜內安裝的都是弱電控制設備，其電磁熱效應忽略不計[16]。通風口、匯控柜和開關柜影響空氣流動，均被等效為等尺寸長方體。

2.1.2 仿真幾何模型及材料參數(shù)

仿真的幾何模型如圖2所示，包括預制艙艙體、通風口、GIS外殼、同軸導體、開關柜和匯控柜等典型結構。為了方便后文描述，艙內特征位置(點A—H)在圖2中給出，其中括號內、外2個點位置重合。

圖2 預制艙仿真幾何模型及其特征位置Fig.2 Geometry model of prefabricated cabin for simulation and its characteristic positions

仿真時采用的材料尺寸及物理參數(shù)見表1、表2[17]。

表1 預制艙模型尺寸參數(shù)Tab.1 Dimension parameters of prefabricated cabin

表2 預制艙材料及其參數(shù)Tab.2 Simulation model materials and parameters of prefabricated cabin

預制艙內的空氣屬性由軟件中的“濕空氣”模塊定義，由熱場、湍流場和濕度場的輸入共同決定。

2.2 加載項和邊界條件的設置

2.2.1 加載項的設置

GIS正常工作時母線導體歐姆損耗為1 100 W，取該值作為同軸導體發(fā)出的熱功率，同時GIS外殼中的渦流損耗設置為8.81 W/m[18]。

為了模擬外界環(huán)境與預制艙外壁的對流換熱，在外壁上添加對流熱通量邊界條件。對流換熱系數(shù)

(16)

式中：L為換熱面的等效長度，取預制艙長、寬、高的平均值6.57 m；Ra為外界空氣的瑞利數(shù)。

2.2.2 通風口處邊界條件的設置

傳熱場、湍流場中預制艙的通風口定義為開放邊界，其溫度和壓力分別設置為外部環(huán)境溫度和環(huán)境壓力值。水蒸氣傳輸場中通風口設置為開放邊界條件。與外部空氣流入預制艙內的速度相比，艙內空氣向外流出的速度可以忽略不計，因此當預制艙內空氣向外流動時水蒸氣通量定義為0；當環(huán)境空氣流入預制艙內部時，使用Danckwerts邊界條件定義由外到內的水蒸氣通量。具體表達式為：

(17)

式中：n為垂直于通風口指向外側的單位向量；Tustr為環(huán)境溫度；φw,ustr為環(huán)境相對濕度；custr為通風口邊界處的水蒸氣濃度。

2.3 仿真計算流程

計算預制艙內濕空氣的熱濕傳遞需要求解3組方程：Navier-Stokes方程用于計算氣流速度場v和壓強p，熱能量方程計算溫度T，濕度場的水分傳輸方程用于計算相對濕度φw。具體的計算步驟如圖3所示，考慮熱場、流場、濕度場之間的雙向強耦合關系，溫度、速度和壓強、相對濕度分別作為熱場、流場、濕度場的因變量，在全耦合模型中采用瞬態(tài)求解器同步求解。

圖3 仿真計算流程Fig.3 Flow chart of multiphysics field simulation

3 正常天氣狀況下GIS預制艙多物理場仿真研究

3.1 正常天氣及GIS預制艙仿真

由于凝露一般發(fā)生在夜間，考慮到計算力和仿真時長，本文研究20：00至次日06：00時段周圍環(huán)境溫度、濕度變化時，預制艙內空氣的溫度、速度和相對濕度。

根據《中國氣象數(shù)據網》公布的廣東某地2022年4月每日20：00至次日06：00的氣溫和相對濕度，選取4月5日20:00至6日06：00的氣溫和相對濕度(如圖4所示)作為模型的典型輸入參數(shù)。

將圖4的外部環(huán)境參數(shù)以邊界條件的形式加載到仿真模型。設置溫度和相對濕度初始值與外部環(huán)境數(shù)據保持一致，分別為14.9 ℃和0.9。

圖4 環(huán)境溫度和相對濕度隨時間變化曲線Fig.4 Variation curves of ambient temperature and relative humidity with time

3.2 艙內熱場分布

通過熱場的計算得到整個預制艙的瞬態(tài)溫度分布，熱場分析的主要目的是根據溫度的分布來判斷出凝露可能發(fā)生的位置。基于凝露形成的機理，關注點通常是同一時刻下整個預制艙內的溫度最小值及其出現(xiàn)的具體位置[19]。如果該最小值下降至該處的露點溫度，便會導致凝露的發(fā)生。圖5給出了正常天氣條件下預制艙內的最低溫度(其位置并不固定)隨時間變化的曲線圖以及最低溫度在預制艙內出現(xiàn)的具體位置(見圖2)。

觀察圖5可知，由于艙內溫度的初始值設置為14.9 ℃且20：00至23：00期間環(huán)境溫度變化很小，因而這個時段艙內最低溫度和環(huán)境溫度變化基本保持一致，均較為平緩。23：00后，環(huán)境溫度較為迅速地上升直至次日05：00，艙內最低溫度以較小的增長率逐漸上升，艙內外溫差在05：00達到最大值7.9 ℃，此時艙外環(huán)境溫度為29 ℃，艙內最低氣溫為21.1 ℃。

圖5 環(huán)境溫度和艙內最低溫度及其位置隨時間變化曲線Fig.5 Variation curves of ambient temperature,minimum temperature in the cabin and positions with time

4月5日21：00和22：00，艙內的最低溫度均出現(xiàn)左側通風口A點處；23：00時預制艙底部角落B的溫度最低；6日00：00時GIS外殼底部C點處溫度達到最低值15.0 ℃；01：00至06：00艙內溫度最低值均出現(xiàn)在靠近開關柜外表面中心D點處。

為了觀察外界環(huán)境溫度變化對預制艙內溫度分布的影響和艙內溫度的典型分布，圖6給出了A點(22：00)、B點(23：00)、C點(次日00：00)、D點(次日01：00)斷面處對應時刻的溫度分布。

23：00之前外部環(huán)境溫度變化不大，圖6(a)顯示通風口底部氣溫略高于其頂部的氣溫，最低溫度出現(xiàn)在頂部中間的位置A；外部環(huán)境溫度自23：00開始快速上升，艙外高溫空氣經通風口流入艙內，導致通風口附近氣溫上升，艙內溫度上高下低，艙底角落B處的溫度最低，如圖6(b)；圖6(c)反映在00：00時艙內的氣溫也是上高下低，最低溫度出現(xiàn)在GIS外殼上的C點；圖6(d)展示了開關柜表面最低溫度點D的具體位置。

圖6 不同斷面的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of different sections

3.3 濕度場仿真結果

絕對濕度為每立方米空氣中所含的水蒸氣的量(kg/m3)。飽和濕度指在一定溫度和壓強下空氣能包含的水蒸氣的最大值。相對濕度是指一定溫度和壓強條件下空氣的絕對濕度與飽和濕度的比值。相對濕度為1時的空氣溫度被稱為露點溫度，當溫度進一步下降至低于露點溫度時，便會發(fā)生凝露[20]。

通過濕度場求解預制艙內濕空氣的相對濕度，根據相對濕度的大小和分布來判斷預制艙內是否有凝露及凝露發(fā)生時的具體位置。正常天氣條件下預制艙內相對濕度的最大值(其位置并不固定)隨時間的變化及其出現(xiàn)的具體位置如圖7所示。

圖7 環(huán)境相對濕度和艙內相對濕度最大值及其位置隨時間變化曲線Fig.7 Variation curves of ambient relative humidity and maximum relative humidity inside cabin with time

由圖7可知，在20：00至次日06：00整個仿真時段內，預制艙內的相對濕度最大值為0.955，故艙內無凝露發(fā)生，其中：20：00至23：00，艙內相對濕度最大值和環(huán)境相對濕度變化基本保持一致，均較為平緩；23：00后外界相對濕度持續(xù)下降；艙內的相對濕度在23：00繼續(xù)增加，在次日00：00時達到最大值0.955，然后逐漸下降，但下降速率明顯低于外界環(huán)境相對濕度的下降速率，且艙內濕度變化滯后外部環(huán)境濕度變化約1 h。

21：00和22：00，艙內相對濕度最大值均出現(xiàn)在雙通風口附近的F點；23：00時F下方的G點相對濕度最高；次日00：00時艙內相對濕度最大值出現(xiàn)在通風口上方的E點；次日01：00時F點的相對濕度再次達到最大值0.910；次日02：00至06：00，艙內相對濕度最大值均出現(xiàn)在開關柜外表面中間H點。

根據仿真結果，圖5中的A、D點分別與圖7中的F、H點完全重合，表明艙內溫度的最低點和相對濕度的最高點往往出現(xiàn)在同一位置。

圖8給出了F點(22：00)、G點(23：00)、E點(次日00：00)、H點(次日02：00)的相對濕度斷面圖。

圖8 艙內不同截面的相對濕度分布Fig.8 Relative humidity distribution of different sections inside cabin

圖8(a)顯示22：00時通風口上方氣流的相對濕度較下方高，相對濕度最大值出現(xiàn)在頂部中間的位置；圖8(b)中艙內外空氣的對流尤為顯著，通風口中間G點的相對濕度達到了最大值0.953；圖8(c)顯示，受通風口處氣流復雜湍流運動影響，相對濕度出現(xiàn)了明顯的區(qū)域差異，此時最大值出現(xiàn)在艙內E點；圖8(d)清晰地反映了開關柜表面相對濕度最高點H的位置。

3.4 艙內流場分布

多物理場仿真同樣獲得了正常天氣條件下艙內各點空氣流速分布隨時間的變化情況。圖9給出了4月6日00：00時預制艙內雙通風口外側、相對濕度最高點E、開關柜表面點H、溫度最低點C(位于GIS表面)處的速度分布斷面圖。

分析圖9(a)可知，00：00時通風口空氣流速上下大、中間小，有明顯的向中間的速度梯度；圖9(b)顯示經通風口流入艙內的氣流先向艙頂運動，然后經兩側艙壁向下運動；從圖9(c)可以看出開關柜處氣流流速接近0，艙頂和GIS外殼兩側空氣流速相對較大；圖9(d)中，艙壁附近、GIS外殼兩側流速明顯高于GIS表面的氣流流速。總的來說，靠近艙內通風口處的空氣運動較為劇烈，艙壁四周、GIS外殼兩側空氣流速相對較大。

圖9 最大濕度時刻(00：00)不同截面的空氣流速分布Fig.9 Air velocity distribution in different sections at 00:00

綜合分析預制艙內熱場、流場和濕度場的仿真結果。4月5日20：00至6日06：00，預制艙內最大相對濕度為0.955，整個預制艙內無凝露產生。

4 溫度驟降時艙內凝露的仿真與研究

簡單來說，熱空氣遇到冷表面時就有可能發(fā)生凝露。當預制艙外溫度突然下降時，艙內空氣溫度的下降速率明顯小于艙壁及設備外殼溫度的下降速率，此時艙內空氣溫度就會高于艙壁及設備外殼的溫度，當溫差達到一定值或濕度足夠大，凝露就有可能發(fā)生在艙壁及設備外殼上，且溫度下降越快，冷凝的概率越大。

為了定量研究上述過程，假設艙內初始溫度和相對濕度分別為20 ℃和0.8，外界環(huán)境溫度在1 h內不同幅度驟降且相對濕度對應增大(溫度分別下降4 ℃、5 ℃、7 ℃，相對濕度對應上升0.1、0.1、0.15)，隨后保持。將環(huán)境溫度和濕度的變化以邊界條件的形式輸入仿真模型，研究0～4 h內艙內的冷凝狀況(保證艙內相對濕度達到穩(wěn)定狀態(tài))，不同條件下艙內最大相對濕度變化仿真結果如圖10所示。需要說明的是，本項目采用單相流研究凝露過程，由于降溫快或艙內外溫差大，計算結果出現(xiàn)相對濕度大于1的過飽和狀態(tài)，該過飽和的蒸汽轉化為液態(tài)水。

當環(huán)境溫度在1 h內降溫4 ℃時，圖10的仿真結果表明艙內相對濕度在仿真開始3.5 h后上升至最大值0.98，然后維持穩(wěn)定，整個過程艙內并無冷凝發(fā)生；當環(huán)境溫度在1 h內下降5 ℃時，艙內相對濕度在仿真開始2 h后上升至1，然后一直穩(wěn)定在該值附近，說明冷凝過程從2 h開始一直持續(xù)到了4 h，仿真結果顯示冷凝均發(fā)生在艙內壁上，設備表面無冷凝發(fā)生；當外界溫度在1 h內驟降7 ℃時，仿真結果顯示不僅艙內壁出現(xiàn)凝露，開關柜表面也會出現(xiàn)凝露(GIS外殼和匯控柜表面仍然無凝露)。圖11給出了環(huán)境溫度1 h內驟降7 ℃情況下，仿真開始3.5 h后開關柜表面凝露的具體分布，此凝露面積達到了最大值。

圖10 不同溫度降幅下艙內最大相對濕度隨時間變化曲線Fig.10 Variation curves of maximum relative humidity inside cabin with time under different temperature drop

圖11 溫度1 h驟降7 ℃時開關柜表面凝露分布Fig.11 Condensation distribution on cabinet surface when temperature drops by 7 ℃ in one hour

為了阻止外部氣溫驟降時艙內凝露的形成，建議：增強艙體的保溫隔熱能力，使艙內壁溫度隨艙外溫度下降的過程變得緩慢，即延緩甚至阻止“冷表面”的形成；或者在冷凝發(fā)生前開啟空調，使艙內的“熱空氣”降溫(開放通風口也能加速這一過程)。

除濕機除濕是預制艙內防凝露最簡易、高效的方式。為了方便選取除濕機型號，仿真計算出了開關柜外表面D點附近空氣的水蒸氣質量分數(shù)(1 h內驟降7 ℃時)：1.28%(1 h后)、1.00%(2 h后)、0.92%(3 h后)、0.90%(4 h后)。

5 “回南天”時預制艙內的凝露仿真與研究

“回南天”是凝露發(fā)生的高峰期，此時凝露的形成一般經歷2個過程，首先是冷空氣侵襲造成持續(xù)低溫，然后暖濕氣流的涌入導致急劇的空氣溫升和濕度的近飽和，當高濕的熱氣流碰到冷表面就會形成大量的冷凝水[21]。具體到預制艙來說，外界高溫高濕的氣流經過通風口進入處于低溫狀態(tài)的預制艙內部，冷凝便會發(fā)生。為了探究此期間GIS預制艙內的冷凝狀況，以環(huán)境溫度從20：00的23 ℃降低至次日06：00的19 ℃、環(huán)境濕度在0.95左右波動來模擬“回南天”的暖濕氣流。其中艙內的初始溫度設置為當日最低氣溫16 ℃以模擬冷空氣導致的低溫，初始濕度設置為0.95，其他條件不變，進行多物理場仿真，觀察在高溫差、高濕度的環(huán)境下預制艙內的冷凝狀況。

“回南天”天氣下預制艙內最大相對濕度隨時間變化曲線如圖12所示。由于艙內外初始溫差較大，外界熱濕空氣經過通風口進入艙內，遇到艙內的低溫壁面導致冷凝發(fā)生。艙內相對濕度從初始值0.95開始陡增，在20：15達到了1，21：00后穩(wěn)定在1附近直至次日06：00，這表明20：15至次日06：00艙內存在冷凝。

圖12 “回南天”天氣下預制艙內不同時刻最大相對濕度Fig.12 Maximum relative humidity inside cabin at different times in moist weather

由仿真結果可知：GIS表面凝露集中發(fā)生在21：00至次日01：00時段，主要分布在左側豎直部分底部；開關柜表面在21：00至次日05：00均有凝露產生，集中分布在外表面中間點D附近；匯控柜表面凝露持續(xù)時段較短，從23：00至次日00：00，凝露面積也較小，主要分布在其中間和底部位置。

21：00、23：00、01：00、03：00時刻艙內的冷凝區(qū)域分布如圖13所示(藍色部分)，01：00和03：00時刻預制艙內相對濕度分布如圖14所示。

由圖13可知：21：00時預制艙內通風口處、艙頂、艙壁處均發(fā)生了冷凝，圖6中的低溫點A和B包含在該冷凝區(qū)內；23：00時艙頂和壁面的凝露面積仍然較大，開關柜外表面中間出現(xiàn)了局部冷凝；01：00和03：00時D處繼續(xù)保持冷凝狀態(tài)。隨著時間的推移，預制艙內的冷凝面積在逐漸減小，這是艙內溫度逐漸回升、艙內外溫差逐漸降低的結果。由圖14可知，外部熱濕空氣經過通風口進入艙內遇冷，使得艙頂部相對濕度明顯高于其他位置，當熱濕空氣運動到設備表面便有可能導致凝露的發(fā)生(圖14(b))。

圖13 不同時刻預制艙內冷凝區(qū)域分布Fig.13 Condensation distribution inside cabin at different times

圖14 不同時刻預制艙內相對濕度分布Fig.14 Distribution of relative humidity inside cabin at 01:00 and 03:00

“回南天”時，高溫高濕的暖氣流經過通風口進入艙內，遇到低溫的艙壁和設備表面從而導致凝露的發(fā)生。此時最有效的防凝露手段是封閉所有通風口，阻止外部的熱濕空氣進入預制艙內部；另外可以通過加熱法提高艙內壁面和設備表面的溫度，從而破壞凝露形成所需的“冷表面”。

根據“回南天”天氣下的仿真結果，開關柜外表面D點附近空氣的水蒸氣質量分數(shù)分別為：1.28%(21：00)、1.00%(23：00)、0.92%(次日01：00)、0.90%(次日03:00)、1.28%(次日05：00)、1.28%(次日07：00)。

6 結論

本文以110 kV GIS預制艙為研究對象，建立了熱-流-濕度多物理場耦合模型，研究正常天氣狀況下預制艙內溫度場、流場、濕度場中各個物理量的分布規(guī)律，分析艙內低溫度、高濕度容易出現(xiàn)的時刻和具體位置；研究了突然降溫和“回南天”天氣下預制艙內的冷凝情況及凝露發(fā)生時設備表面空氣中水蒸氣的質量分數(shù)，為除濕機選型提供指導。研究得到以下結論：

a)整個預制艙內熱容效應明顯，艙內溫度變化率小于外界環(huán)境溫度的變化率。通風口處、艙內底部角落B點、GIS外殼底部C點、開關柜外表面D點是低溫易出現(xiàn)的位置。

b)艙內相對濕度變化滯后外部環(huán)境相對濕度濕度變化約1 h。通風口及其附近、開關柜外表面D點是容易出現(xiàn)高濕度的位置。艙內溫度最小值和相對濕度最大值往往出現(xiàn)在同一位置，發(fā)生冷凝的概率相對較大。

c)溫度驟降及“回南天”天氣下，預制艙內出現(xiàn)了大面積和長時間的冷凝。溫度驟降時艙體內壁和靠近艙壁的開關柜易產生凝露；“回南天”天氣下，外部熱濕氣流進入艙內導致了凝露的發(fā)生，具體位置包括關柜表面、GIS外殼底部、匯控柜外表面中間和底部。

d)防凝露的措施有：溫度驟降時應提前打開艙門和通風口散除艙內的“熱空氣”，或提高艙壁的隔熱保溫能力以延緩艙壁溫的下降速度；“回南天”時應提高預制艙的封閉措施，阻止外部高溫高濕的氣流進入艙內，同時可以采取加熱法提高艙內壁面和設備表面的溫度。

下一步，將開展預制艙防凝露措施的定量研究。