（国网湖北省电力有限公司咸宁供电公司 湖北咸宁 437100）
摘要：作为配电自动化系统的重要设备，DTU终端运行时对环境湿度要求较高，针对目前除湿方法的不足和弊端，本文提出了一种新型配电自动化DTU终端箱智能除湿方法，研制了相应的配电自动化DTU终端箱智能除湿装置并组成了系统，同时对其结构和功能进行了介绍。经实际应用证明，这种除湿系统可以有效除湿，减少设备因受潮引起的故障，不仅能避免安全隐患，也能增加电网设备的运行可靠性。
关键词：配电自动化；环网柜DTU箱；智能除湿；控制系统
1 引言
随着人民生活水平的不断提高和社会经济的不断发展，电力企业用户对电能质量和供电可靠性的要求也越来越高。环网柜作为配电网的重要设备，起着联接配电环网以及分配电能的重要作用。由于环网柜往往安装在地面，并与电缆沟相连。有的柜体封堵不够严整、密封性不够，每逢阴雨潮湿天气（尤其是春天），柜内会出现凝露甚至积水现象。柜内设备如果长期运行在高度潮湿环境之下，其绝缘能力将随之下降，机械、电气等性能会受到影响，严重者会在绝缘体表面沿面放电，甚至发生误动、拒动等事故，从而降低了供电可靠性。
随着配电自动化系统的应用，环网柜中增加了DTU等二次设备，这类设备对环网柜内的运行环境提出了更高的要求，尤其是柜内的空气湿度，当湿度较高时，会严重影响柜内二次设备的运行可靠性，甚至会导致二次设备的损坏。同时，由于湿度的影响是个渐进过程，一般都不能进行及时的处理，等到设备彻底不能运转时才能组织检修，这样就增大了检修的难度和强度，影响生产而且提高了检修成本，更严重则可能造成重大的安全事故。
配电自动化设备是完成配电自动化系统运行、监控、管理的基础。为了保证DTU等二次设备的正常运行，对柜内空气湿度的控制是十分必要的。现有的DTU箱除湿技术具有一定的除湿效果，但都不能从根本上解决问题。
基于以上原因，本文通过深入剖析现有的DTU箱除湿技术，提出了一种新型10kV环网柜DTU终端箱智能除湿技术，研制了相应的除湿装置，并对其结构组成和功能应用进行介绍。
2 当前环网柜DTU箱除湿现状
以湖北咸宁为例，期地处长江中游地区，常年气候比较湿润。查询气象资料，近三年以来咸宁地区平均相对湿度高达70%RH，月度平均空气相对湿度最高可达到78%，最低为62%RH。而资料显示，空气相对湿度大于55%RH后，病菌繁殖滋生速度加快，金属制品、电气元器件容易发生锈蚀。
咸宁城区10kV环网柜，共有76台环网柜进行了配电自动化改造，内部安装了DTU终端设备，通过查询相关班组的消缺维护记录，76台环网柜中有21台环网柜DTU箱存在因凝露潮湿问题导致的缺陷，而且DTU内部防潮除湿防凝露部分所占比例高达52.17%，是整个DTU消缺维护的重点，故解决DTU箱潮湿问题，具有提高电网运行安全可靠性和满足运维一体化工作要求的实际意义。
目前配电自动化环网柜DTU主要采用三种除湿技术。
2.1 人工除湿技术
依靠运维工作人员根据经验定期维护配电自动化环网柜，清除柜内凝露及积水。但清除工作往往存在死角，必要时还需要断电。并且定期维护工作的周期往往较长，在阴雨天气（例如：初春及梅雨季节），柜内在较短时间内就会出现较多凝露和积水，定期维护工作难以满足柜内二次设备运行要求。
2.2 化学除湿技术
采用化学干燥剂实施化学除湿，虽然有一定的效果，但存在吸湿剂衰老失效的问题，必须频繁更换补充；并且存在空气湿度值无法自动精确控制，容易带来污染问题。
2.3 电加热除湿技术
电加热除湿技术主要采用电加热除湿器完成，电加热除湿器工作原理框架图如图1所示。
图1 电加热除湿器工作原理图
从设计方式上来看，电加热方式只是通过电加热模块来加热箱内湿气，从而加快箱内空气与外界环境的流动交换，湿气依然会留在箱内，无法从根本上解决除湿难题，电加热器在安装时需要通气孔和安装条等的配合，箱体密封性大打折扣。
以上三种技术具有一定的除湿效果，但都不能从根本上解决问题。因此，开发研制新型的环网柜DTU终端箱除湿装置势在必行。
3 新型除湿方案的选择
环网柜DTU箱除湿，从根本上讲就是为了除去箱体内部的水分潮气，而使DTU箱内部保持适宜的湿度。通过查询配电自动化设备的相关运行规程，未找到环网柜DTU正常运行湿度标准的确定值，而在现状调查中发现：晴天时环网柜DTU箱未受到潮湿问题的影响，且晴天平均湿度为55%RH，若除湿后湿度达到或低于此值应能有效解决该问题，同时也提出了三种对策方案。
3.1 抽风机换气法
通过抽风机装置使箱内空气与箱外空气保持畅通一致，箱内的潮气水分混在空气中，排出箱外，箱外的干燥空气补充箱内。
该方案设计简单，造价低，天气干燥时除湿性能强，但受外界环境影响大，在下雨、潮湿等天气根本无法除湿，同时需要安装在箱体中心部位，有局限性，电加热除湿发热量大并需要排出湿空气，不能对环网柜进行密封处理，且存在火灾安全隐患。
3.2 抽微型压缩机制冷法
类似于空调的工作原理，通过微型压缩机制冷装置制冷，使箱内的水分潮气冷凝成水，排出箱外。
该方案除湿效率很高（尤其是空气湿度≥55%RH时，除湿效率最高），但成本与耗能高，发热量大，而且体积大，很多环网柜可能无法安装，同时除湿压缩机正常工作温度范围在5~38℃之间，超出温度范围压缩机将自动停止工作，无法全天候除湿。
3.3 电子冷凝片冷凝法
采用电子冷凝片，当箱内的空气带着潮气水分通过特制通道，遇到冷凝片后，温度降低而凝结成水，水通过管道从箱底引出。
该方案除湿性能较强，是压缩除湿效率的80%左右，可大幅减少箱内温升，并能实现智能控制运行与箱体的全密封，且设备体积较小，发热量低，能耗也低。
3.4 最佳方案的分解与细化
通过比较分析，确定最佳方案为电子冷凝片冷凝除湿法，而结合该方法的原理，根据装置的结构，可将方案分解为智能控制系统设计、散热冷凝系统内部构件设计以及装置外观壳体设计。
3.4.1 智能控制系统设计
为了满足除湿装置“傻瓜”化的要求，控制系统是必备组件。基本控制原理是通过传感器采集DTU箱内空气温度和湿度，控制除湿装置除湿：相关传感器和软件在线检测分析装置中传感器、风机、电子冷凝片、电源和控制板等各器件工作状态和“健康”程度，实现自身管理和信息共享。可以选择的方案有PLC平台和单片机平台。
PLC平台，虽然可靠性高、抗干扰能力强，但为了节省安装空间，除湿器宜呈扁平结构，PLC与电源组合的尺寸恐难以满足要求。而单片机平台智能化程度高，结构紧凑，更适合使用。
3.4.2 散热冷凝系统内部构件设计
电子冷凝片就是半导体制冷片，市场上出售的冷凝片有多种规格可供选择，制冷功率越大，效果越显著，综合考虑功率和尺寸，我们选择型号为TEC1-03510的电子冷凝片。
2）风机的选择。风机可以快速排放散热板表面热量，推动环网柜内湿空气流动，达到全面除湿。综合考虑价格、风量及使用寿命，我们选择型号为LK5020的国产风机。
3）散热、冷凝基板的选择。可以选择铝材基板和紫铜材基板，紫铜比铝制材料导热率高200%，但价格增加4倍以上，可通过适当增加散热铝板的散热面，增强铝板的散热率，弥补导热率不足，故选择6063T5铝材基板。
3.4.3 装置外观壳体设计
除湿装置的壳体起着保护内部组件和构成除湿冷凝风道的作用。同时，除湿装置与环网柜DTU箱内其他电气设备、线缆绝缘要求有严格的安全距离限制。本着“功能决定形式”的设计理念，考虑到不锈钢材质具有耐腐蚀、抗干扰、易加工等特点，故选取不锈钢壳体。
除湿装置最佳设计方案如图2所示。
图3 装置内部结构图
3.5 原理图设计
内部结构如图3所示，除湿装置应用半导体热电元件，在一定电压下产生冷热效应，通过风扇在密封空间中形成气流，将空气水分子冷凝在冷凝器冷凝板周边，冷凝板空气温度降至零点，把空气中的水分子凝结。当湿度达到设定值后，由控制器自动启动制冷器、风扇工作。在风扇作用下，配电自动化环网柜密闭空间的潮湿空气被吸入除湿装置内；空气中的水分子经过制冷器内的半导体制冷器（TEC）后冷凝成水，滴流汇集后再通过导水管排出柜外或流入储液袋内；干燥空气经风扇排出除湿装置。如此不间断的工作，从而达到降低电气设备内部空间湿度目的。当温度超过设定温度时除湿器停止工作。
该装置需要220V交流电源，上电后，电气部分的控制板控制运行灯点亮，然后通过湿度传感器探测当前湿度。如果在设定值之上，则通过TEC驱动器驱动冷凝部分的TEC制冷片；此时热端散热片开始发热，控制板控制风扇启动协助散热，冷端散热片致冷。当达到露点时在散热片表面凝结成水珠，水珠通过出水口和排水管排出设备。温度传感器用于检测TEC是否损坏，如果温度不下降则可以判别。出现故障则通过控制板控制蜂鸣器鸣响，同时点亮故障灯。
3.6 控制系统设计
内部控制系统首先读取当前空气湿度值，如果箱体内的湿度较高（大于设定值时）且温度大于箱体外的温度时，启动换气风扇，以降低箱体内的温度，除湿门槛值可通过按键任意设定，设定后存入单片机EEPROM中，可保障断电后数据不会丢失；启动除湿器后，单片机实时进行电路故障检测，通过单片机的AD转换器接口检测风扇、半导体制冷片等驱动电路的电压值，判断电路是否运行正常，同时还要检测半导体制冷片热端的温度值，防止制冷片热端温度过高而烧坏，半导体制冷片的工作效率与冷热端的温差有关，温差越大效率越低，制冷量就越少，因此，如果超过最高临界值时，能关闭制冷片，等待温度正常后再重新启动。
用Proteus软件进行模拟试验，再将设计编写好的程序下装到模拟电路中的单片机中，最后启动程序进行整个采集和运算，得到的结果符合要求，可实现除湿器自检故障、智能运行等功能，编程完成后，进行调试，调试无误。
4 除湿效果验证
依据相关规程“根据配电自动化系统或配电终端运行工况，可安排进行配电终端现场检测”规定，使用该除湿装置对10kV温泉I回H01等五台环网柜DTU箱在不同天气下进行除湿，将其结果与未进行除湿的另外五台环网柜DTU箱进行对比，对比结果如表1所示。
表1 除湿效果对比统计表
由试验对比检测结果可以得出，通过使用配电自动化环网柜除湿装置，相对湿度平均值下降到了51.92%RH，满足设备运行的正常要求，因此，该装置具有良好的除湿效果。
4.1 安全效益
10kV环网柜DTU终端箱智能除湿装置的研制，从根本上解决了配电自动化环网柜除湿问题，杜绝了安全隐患，环网柜内DTU等二次设备的安全运行可靠性显著提高，维修维护周期大大延长，保证了电网设备安全可靠运行。
4.2 社会效益
10kV环网柜DTU终端箱智能除湿装置由专业制造企业代工所有部件制造，使产品各零部件的平均使用寿命比同类相关产品高出两倍以上，该装置有效地降低了箱内湿度，保障了在潮湿天气下DTU终端等设备的安全运行，确保了供电可靠性，提高了企业服务质量，提高了DTU终端遥信、遥控的正确率，提升了用户用电满意度，促进社会和谐发展。
4.3 生产效益
10kV环网柜DTU终端箱智能除湿装置有效地控制了空气湿度大造成的箱体腐
蚀，降低了DTU终端等二次设备的故障率，确保了二次回路的正常运行，提高了设备有效运行周期，有效减少了配电二次运维人员因潮湿问题导致的二次设备消缺次数，从而减轻了运维人员的工作量和劳动强度，大大降低了人工维护成本，提高了企业生产管理效益。
4.4 经济效益
10kV环网柜DTU终端箱智能除湿装置的使用，有效解决了其内部湿度较大的问题，避免了因潮气凝露而引发的二次设备故障，降低了电源模块、交直流转换模块、装置板件、蓄电池等设备的损坏频率，减少了运维抢修人员的出勤次数，有效降低了配电自动化设备的运检成本。
5 结语
设计的冷凝型10kV环网柜DTU终端箱智能除湿装置，充分利用半导体的特性和湿空气温差大易凝露的特点，依据设计方案完成了试验样品的加工制作，并通过对比试验验证其除湿效果。试验表明，除湿器能够有效地完成除湿工作，其工作原理有别于传统的配电自动化环网柜DTU箱的除湿技术，从根本上自动除湿的功能。其结构简单，功耗低，除湿效果好，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。
参考文献：
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论文作者:金昭,王澜,熊蕾,熊军,戢小明,叶发胜
论文发表刊物:《河南电力》2018年3期
论文发表时间:2018/6/28
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