李蔡慎1，黃爾東2，袁  成2，杜麗娜2

　　（1.上海市電力高壓實業公司，上海200063；2.國網上海電力公司檢修公司，上海200063）

　　摘  要： 在電力系統中，溫度及濕度對電氣設備的安全穩定運行起到至關重要的影響，開關柜溫度、濕度過高都將引起柜內裝置的異常，如裝置告警、通信異常等。本文主要闡述采用超導熱管換熱技術實現內外循環相互隔開高效換熱，充分利用環境冷卻技術、隔墻散熱對各種端子箱、機構箱、二次三次設備的屏柜進行散熱、除濕、防塵的智能系統裝置的開發。

　　關鍵詞： 散熱；制冷除濕；超導熱管換熱技術；電氣屏柜

0 引言

　　在電力系統中，溫度及濕度對電氣設備的安全穩定運行起到至關重要的影響，安裝電氣設備的房間溫度過高將引起主變、閘刀、電抗器、電容器等設備發熱；二次繼保設備、三次通訊設備屏柜溫度、濕度過高都將引起柜內裝置的異常，如裝置告警、通信異常等。例如對于敞開式設備的端子箱，在陰雨天氣或者黃梅季節，電纜溝中的積水將蒸發成水汽通過電纜孔洞進入端子箱，導致端子箱內凝露潮濕，這直接導致了端子箱內端子排的絕緣損壞，后果相當嚴重，因此如果開發出有效的祛潮系統應用于該類端子箱內將使得這種情況得到很大的改善。

1 電氣屏柜常用的防凝露除濕措施及存在問題

　　現有的溫濕度控制系統工作原理：

　　現在市場上所有溫濕度控制系統的傳感器幾乎都是同一種類型，即在一個陶瓷基板上印制一種高分子半導體電阻材料，引出兩端電極，當傳感器表面干燥時，分子間接觸電阻小，電極兩端電阻為1 kΩ左右；而當高分子材料吸收水分后，其內部分子空間迅速膨脹，分子間接觸電阻變大，使電極兩端的電阻率大大增加。電子控制器通過測試電阻的大小來感知或預知是否發生凝露。例如HDP—07型凝露傳感器，這是一種正特性開關型元件，它對低濕度不敏感，而對高濕度敏感，在70%～100%RH范圍內阻值變化較大。

　　這種類型傳感器有兩個固有的特性缺陷：

　　（1）在相對濕度不高時凝露傳感器有一個離散區，在這區間傳感器對相對濕度變化不敏感而且變化的阻值也不精確，其輸出特性不但與相對濕度的大小有關，與露點溫度也有直接關系。例如，有時人體感覺到空氣中濕度很大，但加熱器并沒有啟動，這是由于傳感器表面沒有達到露點溫度(也就是在傳感器表面沒有結成水珠)的緣故。

　　（2）由于凝露傳感器必須不斷地吸入或釋放水分子，傳感器受空氣中灰塵或水份中的化學物質侵蝕后會改變靈敏度，導致防凝露的控制點出現偏差，這時會出現在濕度已是很高、凝露極易發生的情況下還沒有啟動加熱器，或者加熱啟動后長期不會自動退出的現象，這就降低了防凝露傳感器的靈敏度和可靠性。

2 熱管與半導體復合制冷除濕裝置的設計與研發

　　2.1 裝置的組成

　　考慮采用傳感器智能化控制，用半導體制冷器除濕，用PTC熱敏陶瓷發熱器采用熱風循環升溫。

　　熱管與半導體復合制冷除濕裝置設計圖如圖1所示。其主要組成部分為：闊電壓穩壓電源；高性能的濕度傳感器及溫度傳感器組合（以下簡稱傳感器）；控制電路；半導體制冷器；鋁合金散熱片；軸流風機；PTC熱敏陶瓷加熱器；結水合；出水管；外殼。

　　2.2 工作過程和工作原理

　　接通電源，抽濕器處在待機狀態（自動狀態）。傳感器對周圍環境溫度和相對濕度的變化進行檢測，當測得電氣柜內濕度大于設定值時, 傳感器將信號傳送至控制電路，制冷器開始制冷, 風機將電氣柜內的濕空氣吸入，吸入的濕空氣通過處于低溫的鋁合金散熱片時，空氣中含有的水分子將凝結于低溫的鋁合金散熱片上，最后凝結成水珠落入結水合，通過出水管排出電氣柜。抽濕器就通過風機吸入濕空氣排出低濕空氣。經過一段時間的循環風，使電氣柜內空氣濕度下降到標準工作條件，并使結露不能發生，使濕度保持在設定值以下一定區間內。該系統重新處于監控檢測狀態，如此反復實現自動控制。 抽濕器同時具有升溫和降溫功能, 當傳感器測得電氣柜內溫度低于設定值時, 傳感器將信號傳送至控制電路，內置PTC熱敏陶瓷加熱系統采用熱循環風對柜體內進行升溫，使溫度保持在一定區間內。當傳感器測得溫度高于設定值時, 傳感器將信號傳送至控制電路，控制電路內置繼電器觸點閉合輸出，通過連接外置風機對電氣柜進行降溫。

　　2.3 優點與積極效果

　　本設計采用的高性能溫濕度傳感器配合高效半導體制冷器，可根椐電氣設備對濕度的要求設定電氣柜內的溫濕度，并有效地控制和把多余的濕度變成水排出電氣柜，提高電氣柜的使用壽命，柜體內沒有凝露水的產生，對電氣設備的安全運行提供可靠的環境保證。同時半導體制冷器的功耗小，其抽濕效果與目前采用電熱板降濕溫濕度控制器相比，對比同樣的相對濕度下降值，其功耗只有目前溫濕度控制器的20%。將節約80%電能。半導體制冷器和PTC熱敏陶瓷加熱器其使用壽命均大于4萬小時，大大高于采用金屬絲制成的電加熱板的使用壽命。

3 熱管與半導體復合制冷除濕裝置的制作

　　3.1 原型機的制造

　　首先采用熱管。熱管換熱器是換熱器的一種，是由帶翅片(散熱片)的熱管束組成的換熱器，如圖2所示。一般情況下，它有一個矩形的外殼，其內布滿了帶有翅片的熱管，在矩形殼體內部的中部有一塊隔板把殼體分成兩個部分，形成高溫流體和低溫流體的通道。當高、低溫流體同時在各自的通道中流過時，熱管就將高溫流體的熱量傳給低溫流體，實現了兩種流體的熱交換。因熱管換熱器結構簡單、換熱效率高，且同比其他類型的換熱器而言壓損較小，使得其越來越受到人們的推崇，在工業中應用也越來越廣泛。

　　3.2 初步測試后制作改良型裝置

　　對初型機進行測試后確認設計方案是可行的，但為了達到更明顯的降溫效果以及除濕性能，需繼續改良裝置的內部結構，如設計熱管的傾斜角度，強化導熱效果；采用電動風閥等方式。圖3所示為改良后的裝置圖。

4 熱管與半導體復合制冷除濕裝置的現場測試

　　完成裝置的制作后，在現場對設備進行了測試，通過對模擬柜的人為加熱，現場測試降溫及除濕效果，同時對不同的測試工況下的數據進行比較，完成最后的測試。

　　試驗環境：溫度19 ℃～20 ℃；相對濕度40%～45%RH；柜體密封度97%；試驗箱體體積：1 200 mm×600 mm×500 mm。

　　試驗內容：測試半導體制冷除濕與熱管傳熱技術，在一定環境溫度下用加熱器對測試柜內進行加溫，當溫度達到飽和后開啟熱管傳熱系統對柜體內溫度進行降溫。

　　試驗采用熱管傳熱系統的降溫功率為400 W；測試箱體內加熱系統功率為500 W。

　　試驗結果：

　　第一階段：9：37～10：38為加熱器加熱過程，最高溫度為52 ℃。

　　第二階段：10：38～10：39柜機中加熱器繼續工作，熱管傳熱開始工作，溫度從52 ℃降至39 ℃。

　　第三階段：10：39～11：09柜機中加熱器繼續工作，熱管傳熱繼續工作，溫度繼續從39 ℃降至35.5 ℃。

　　第四階段：11：09～11：39柜機中加熱器停止工作，熱管傳熱繼續工作，溫度從35.5 ℃降至20.5 ℃環境溫度。

　　試驗結論：

　　（1）在500 W的加熱器（測試時環境溫度為20 ℃）對測試柜體內進行長時間加熱升溫后，最高可以使柜體內溫度升至60 ℃。

　　（2）開啟熱管傳熱系統后，測試柜體內溫度迅速下降至39 ℃，然后緩慢降至32 ℃。

　　（3）測試柜體內與柜體外的溫度差為10 ℃。

5 結束語

　　本項目采用的高性能溫濕度傳感器配合高效半導體制冷器，可根椐電氣設備對濕度的要求設定電氣柜內的溫濕度，并有效地控制和把多余的濕度變成水排出電氣柜，提高電氣柜的使用壽命，柜體內沒有凝露水的產生，對電氣設備的安全運行提供可靠的環境保證。同時半導體制冷器的功耗小，其抽濕效果與目前溫濕度控制器采用電熱板降濕效果相比，對于同樣的相對濕度下降值，其功耗只有目前溫濕度控制器的20%，將節約80%電能。

　　由于采用分離式的內外循環導風系統，外循環導風系統可使柜體外部的灰塵與濕氣不能直接進入柜體內部。內循環導風系統可使柜體內部溫度均勻，發熱設備的溫度可以明顯下降，同時當柜體內部相對濕度較高時，半導體制冷系統通過內循環導風進行除濕。

　　該裝置的安裝將大大提高電氣屏柜中設備的運行工況，為電力設備的安全穩定運行提供保障，具有非常重大的意義。