（国网宁夏电力公司石嘴山供电公司）
摘要：针对高压开关柜内容易出现凝露现象的问题，提出了智能型防凝露控制方法，通过形成闭环控制，达到主动防凝露的目的。采用Proteus软件技术进行防凝露控制的仿真设计得出控制策略的可行性，根据控制策略研制出了防凝露控制器装置，并在多个变电站进行安装，长期跟踪测试，结果表明研制的防凝露装置达到了预期的效果。
关键词：开关柜；闭环控制； 防凝露；控制器
1 引 言
随着开关技术的不断发展，高压开关设备的体积越来越小，绝缘可靠性显得尤为重要，而在北方一些地区昼夜温差较大，温度的突变易造成端子箱、开关柜等柜(箱)式电气设备凝露现象，从而引起腐蚀，造成绝缘能力下降，影响其机械、电气性能，甚至导致绝缘件表面产生沿面放电而引发事故[1]。通常在内部采用自动加热除湿控制器防止凝露起到了一定作用，但也出现了一些问题。本文根据凝露发生和预防机理，设计具有多路传感器的防凝露控制器，该设备具有新型的防凝露控制策略，取代了传统控制器长期加热驱潮方式，并在此基础上进行编程实现软件仿真，初步验证其应用的可行性。根据控制策略和仿真结果研制出智能防凝露控制器的实物，将实物应用于多个变电站中，经过长期跟踪测试，结果表明研制的防凝露装置达到了预期的效果。
2 防凝露控制策略及软件实现
2.1控制策略实现
温度和湿度是凝露发生的两个重要因素，在一定的湿度条件下，温度骤变或在一定的温度条件下湿度骤变都可以引起凝露的发生。开关柜（箱）内普通的温湿度控制器通过人为改变温度、湿度等参数防止凝露的发生，人为因素大、工作量大，不易采取。防凝露型温湿度控制器通过采集电气柜外温度、柜内温度和湿度等参数，再经过防凝露控制策略进而控制电加热设备或风机排风散热设备的运行，抑制凝露现象的产生条件，达到防凝露的效果。研究表明[2]，电气设备运行时周围环境温度超过40℃时，易导致设备局部高温，影响设备的稳定性、动作的可靠性以及计量的准确性，甚至直接损坏设备；当温度低于 10℃时，柜内设备散热损失大，露点温度低，凝露的可能性较高。根据本地区年温度数据，防凝露控制策略工作温度设置为10℃～40℃。同时研究还发现，电气设备长期处于高湿度环境，不但凝露风险大大提高，而且金属、电气材料的腐蚀速度也会加快。根据本地区年湿度数据，本文拟选取60%相对湿度作为临界湿度值。
综上所述[3]，根据所测量的环境参数制定如下控制策略：当柜内温度低于T1时启用电加热器；柜内温度高于T2则开启风机散热；介于两温度之间时需结合柜外温度、柜内温度、柜内湿度，并查询凝露曲线数据，进行防凝露控制，其控制逻辑如下：
（1）柜内温度低于T1，启动加热装置；
（2）柜内温度高压T2，启动散热装置；
（3）柜内温度t1为T1～T2时，则需测量柜外温度、柜内湿度：
t1＞t2、RH＜rh启动散热装置；
t1＞t2、RH＞rh不动作（单纯的通风降温有可能导致凝露发生）；
t1＜t2、RH＜rh不动作；
④t1＜t2、RH＞rh启动加热装置（预防局部凝露）。
2.2 基于 Proteus 软件技术防凝露控制的仿真设计
防凝露控制器是以AT89C51单片机为核心，通过DS18B20采集开关柜内、外的温度值，通过SHT11采集开关柜内的湿度值。根据采集的温度、湿度数据经过控制系统判别来控制通风散热电路和加热电路的通断，从根源上防止开关柜内出现凝露状态。温度/湿度传感器SHT11将采集的非电量数据信号转换成电信号，该电信号首先进入信号放大器进行放大，然后进入一个14位的 A/D 转换器，最后经过二线串行数字接口I2C输出数字信号。为了获得直观的效果，将防凝露控制输出的电加热器和通风散热风扇，分别用 LED 信号灯和电机来模拟。
当柜内温度高于40℃时，仿真结果如图2所示。其柜内温度为48℃，仅点击动作，表示通风散热设备开始运行，同时，与柜外温度和柜内湿度的数值大小无关。综合其他几种情况的运行验证说明，该控制器已实现预定的防凝露策略。
图1 是防凝露控制控制策略的程序流程图
图2 防凝露控制硬件仿真电路
3防凝露控制器的硬件部分
根据防凝露温湿度控制器的控制策略及Proteus的仿真结果对控制核心、温湿度采集、换气加热单元和开关电源模块设计采集。
3.1控制核心
系统控制核心为AT89C51 单片机，完成系统控制的条件判定与策略实现，同时完成温、湿度信号采集、传输。通过DS18B20采集开关柜内、外的温度值，通过SHT11采集开关柜内的湿度值。根据采集的温度、湿度数据经过控制系统判别来控制通风散热电路和加热电路的通断，从根源上防止开关柜内出现凝露状态。该器件具有灵活的端口操作和优良的定时功能，且性能好，价格低廉，抗干扰能力强，适合用于电力设备，系统启动内部看门狗，确保长时间稳定工作。
3.2 温、湿度信号采集
温、湿度传感器型号为SHT11，可测温度范围为－40～100℃，精确度0.1℃ ，湿度测量范围为0～100% ，精确度为1%。SHT11传感器将温度传感器与湿度传感器结合在一起，其自带一个14位的A/D 转换器，由I2C总线的形式输出。对同一设备的两路传感器都要在同一个环境中进行误差调整，有助于提高系统精确度。
3.3 散热、加热单元
散热控制电路采用单片机端口控制 MOSFET开关电路来控制风扇的通断，输出电路部分具有检测电阻，可以控制风扇的通断状态。加热器采用带风扇的加热电阻形式，与传统的加热片型（管型）电阻加热方法相比，具有热量散发快、加热效率高等优点。在阴雨等天气条件下当箱内湿度高于外部湿度的时候，就需要进行排气操作，将内部湿度较大的空气交换外部湿度较小湿度的空气。采用排气风扇功率5W，排风量为15CFM，通过试验验证其能够在5min之内完成一个容积为 1.5 m3的端子箱的空气交换。
3.4 电源设计
整个装置采用交流220V的输入电源，可在柜内二次回路取得，并经AC－DC电源转换电路获得+5V工作电压，提供控制板、风扇和传感器的电源，由于单片机和温、湿度传感器+3.3V，因此要将电源经过低压差的LDO电源芯片AS1117得到3.3V电压作为整个系统的主要工作电压[4]。电源转换电路如图3所示。同时在电源中需要进行滤波、防雷等处理工序。
图 3 电源转换电路
4 防凝露控制器的实现及应用
4.1 防凝露控制器的实现
对防凝露控制器各主要模块设计之后，在电路板上进行焊接，焊接电路如图4所示：
图4 防凝露控制器硬件电路
根据设计装置的尺寸，将各部件组装并进行功能测试，测试结果见表1。
表1 防凝露控制器测试结果
由表1测试数据可知：设计的温湿度控制器具有防凝露功能，且出现凝露现象能够自动报警且消除凝露。
4.2防凝露控制器的应用
将研制的成果应用于该地区某110kV变电站的开关柜中，经过长期的跟踪观察记录，该温湿度控制器具有较好的防凝露功能，且工作稳定。根据统计的数据相比于传统加热除湿装置节约30%的电能。
5 结束语
高压开关柜普遍存在于电力系统中，开关柜内温度、湿度是形象其稳定运行的两个重要非电量参数，适当的温度、湿度是保证继电保护动作可靠性、灵敏性、速动性的前提[5]。普通型温湿度控制器在一定程度上有效的防止宁路的发生，但认为因素大，不利于智能电网的智能控制。本文根据凝露产生的条件，并针对传统防凝露控制器的不足进行改进，制定了全闭环型的防凝露控制策略，并通过 Proteus 软件进行初步仿真验证，根据验证结果研制出防凝露控制器实物并应用于变电站开关柜中，经过长期的跟踪记录，研制的智能防凝露温湿度控制器达到了预期的效果。
参考文献:
[1]周丰群,张义民,何超．电气设备用温度凝露控制器的研制［J］．电力自动化设备，2012，22(3): 61－62,67．
[2]岳新峰．12kV中置柜加热除湿方式探讨［J］．高压电器，2012,38(3): 57－58．
[3]何超,闫永军,李曙光.高压电器用 KWN－1B1型温度凝露控制器［J］．传感器世界，2014,8: 27－31．
[4]周军,周文越.开关柜防凝露控制技术浅谈.科技创新导报,2015（1）.
[5]陈瑶,陈廉曹,束剑文等.浅谈开关设备的防凝露措施.福建建设科技,2013（2）：91.
论文作者:任国康,黄囤,王若曦,翟亮,林涛,马玉杰,滚晓虎
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/6/11
标签：柜内论文; 湿度论文; 控制器论文; 温度论文; 温湿度论文; 电路论文; 策略论文; 《电力设备》2018年第1期论文;