端子箱、机构箱热失控预警数据采集装置的研究及应用

汪昊铭 罗佼 杨德林

云南电网有限责任公司文山供电局 云南省文山市 663000

摘要：电力系统中端子箱、机构箱热失控问题是一个值得研究的课题，由于端子箱、机构箱所处环境一般均较为复杂，室外温差大，加之箱体为半封闭结构，冷热交替极易导致水汽的凝结，湿度的加大极易导致电路的短路甚至是爆燃，笔者结合长期从事电力工作的实际，为解决这一痛点问题，积极开展端子箱、机构箱热失控预警数据采集装置的研发，希望给相关专业人士一定的参考。

关键词：端子箱；机构箱；热失控；预警数据；采集装置；研究应用

引言

目前室外端子箱、机构箱所处环境复杂，日夜温差较大，内部冷凝效果明显，极易形成水汽凝结，湿度大不但导致电缆接头绝缘破坏，造成短路故障，还会造成柜内器件使用寿命缩短，结构件腐蚀失效，更会由于端子箱内器件早期失效造成操作电源勿动或拒动等重大事故，使故障进一步扩大，严重影响电网运行安全。同时由于地处室外，数量大距离远，一线人员检查不便，也会导致相关问题不易发现，尤其是室外柜内部冷凝现象是亟待解决的首要隐患，当柜内冷凝现象发生时，由于高湿空气的流动性，往往柜内所有带电运行设备、线路、开关、公共接点、接触器、继电器触点等表面均附有冷凝水汽，不但直接影响绝缘强度和操作特性，更由于水汽混杂上原本附着的灰尘、油污等，造成极难剔除的污染物，即使烘干也不能彻底消除，从而对设备的安全运行造成长期影响。解决这一问题的痛点在于如何提前预知，在即将发生该状况前介入，采用可靠手段（升温、除湿等等）处理，这是解决所有问题的重点，也是本文所要研究的难点问题。

一、装置研发主要目的

由于本研发设计新型涉及电力变电领域，属于室外柜内部电气设备防止热失控的内部环境数据发送装置的应用型研究，就是要研发一套室外柜箱体内部冷凝预警装置。就是要在不改变原有设备运行的条件下，在柜内安装一套防止热失控的内部环境智能数据发送装置，本装置要求长期连续工作，工作稳定，安装简单，指示明确，使用可靠方便，彻底解决因外部环境因素而造成的运行安全隐患。

二、装置研发具体思路

（一）研发主要技术指标要求

具体研发必须达到以下六个方面的指标要求：

一是能检测室外端子箱、机构箱、环网柜内微环境，判断是否具备恒定的温湿度并具有气压、明火、密封破坏等报警功能。

二是能预知外端子箱、机构箱、环网柜内由于温度等剧烈变化造成水凝现象导致柜内整体电气绝缘下降及“爆燃”重大事故。

三是能较好的解决外端子箱、机构箱、环网柜内加装相关设备后通风、排水、散热是否正常等后续问题。

四是具备完善的报警指示，具体包括装置故障、雨水泄漏、通风故障、气压异常、密封破坏、温湿度超标、明火爆燃等诸多报警信号，便于现场人员巡视快速发现问题箱柜。

五是可以实现快速安装，不影响现有柜内结构，完善的自检功能实现快速接入检测，便于现场人员安装、检修。

六是必须能解决复杂柜内电磁兼容问题，本装置既要可靠工作，又不能干扰其它电气设备的正常运转。

（二）研发具体技术方案

本研发所采用的技术方案如下：

一是采用多点高精度温湿度检测（半导体感温+红外测温+电阻式氯化锂测湿），四比较电路采样，数据库参数校正，实现空气、露点、水汽等多种形态的正确检测，双反馈回路保证了信号稳定准确，漂移小，重复精度高等特点，实现温湿度的精准采集和控制；

二是采用预置环境检测曲线，针对不同设定要求和环境条件，实时对比参数，既保证了智能检测，又降低了装置本身的功耗，适用于无尘无噪声的屏内或端子箱等小环境的精确调节；

三是多参数采集、报警、处理及存储，包括温度、湿度、气压等，以及可扩展的海拔、天气预警、GPS数据等；实现装置故障、雨水泄漏、通风故障、气压异常、密封破坏、温湿度超标、明火爆燃等诸多报警功能；

四是装置采用“随手放”模块化结构，体积小巧轻便，安装简单可靠，可扩展实现组网和数据传输，实现双向数据传输和控制；

五是采用GFSK跳频400M无线发射，功率小距离远，多冗余编码纠错，通讯可靠，接收灵敏,数据包错误自动重发。

（三）研发主要原理分析

1.焓湿图计算原理

冷凝就是高温气体物质由于温度降低而凝结成为非气体状态（通常是液体）的过程。大气空气是由干燥空气和一定量的水蒸气混合而成的，因此也叫做湿空气，当柜内设备表面温度低于进气气流的露点温度时，水汽凝结就会发生在其表面，从而产生冷凝水，它的多少一般与空气的含湿量、露点温度、室温等有关，准确数据可以通过湿空气焓湿图计算，并由此可知，冷凝的发生和温度降低有着直接关系。

2.半导体材料Peltier效应

半导体制冷器是一种热泵，其原理是利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的，是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，寿命长，应用在一些空间受到限制、可靠性要求高、无制冷剂污染的场合。半导体制冷器的热惯性非常小，制冷制热时间快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电小于一分钟，制冷片就能达到最大温差。

本研发即利用高温气体物质由于温度降低而凝结成为液体的原理，如果室外柜箱体内部空气环境虽然未达到产生冷凝的程度，但由于半导体制冷器的制冷作用，使冷却面的温度降低从而在其表面提前产生冷凝现象，其多少通过湿敏电阻检测，湿度越大说明产生冷凝的概率越大，因为周围良好通风和柜内环境完全接触，这样就可以预知柜内空气环境在当前温度和综合环境条件下是否可能发生冷凝，提前采取必要措施，如升温、除湿等手段，实现预警处理干预的目的，从而从根本上避免冷凝带来的一系列严重后果。具体如图1所示，作为优化，半导体制冷器1可采用多单元大功率组合工作，其中一个单元作为预警装置传感器，其整体工作可同时起到降温除湿的作用。作为优化，湿敏电阻2通过信号处理4输出预警信号，还可以同步控制通风、声光报警、无线网络传输等，提高系统的可靠性和智能化水平。作为优化，半导体制冷器1冷却面的湿度通过湿敏电阻检测，其值大小决定了发生冷凝的概率，可以试验获得大量现场数据，今后通过数据库查询法设置冷凝温度，实现更准确的预警。作为优化，半导体制冷器1、湿敏电阻2、驱动电路3、信号处理4可一体化设计和封装，以实现装置方便使用、更轻巧、寿命更长的目的。

图1 本装置研发主要原理图

三、装置研发实施

半导体制冷器1和驱动电路3如图2所示。

图2 半导体制冷器1和驱动电路3图示

半导体制冷器是根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的（电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果）。为了使半导体制冷器能够可靠的进行温度控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。本电路是基于H桥的驱动电路，当设置OUT3为高、OUT4为低电平，OUT2为低、OUT1为高电平时，Q3和Q4断开，Q1和Q2导通，电流由TEC左至右；反之OUT3为低、OUT4为高电平，OUT2为高、OUT1为低电平时，Q3和Q4导通，Q1和Q2断开，电流由右至左。通过温湿度控制5的PID控制设置OUT1或者OUT4的PWM占空比，控制Q1或者Q4的导通时间来控制半导体制冷器的工作时间，从而达到控制、设置冷凝预警温度的目的。

湿敏电阻2、信号处理4如图3所示。

图3 湿敏电阻2、信号处理4图示

该电路的核心器件是LM358双运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源微功耗使用，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其它所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

由湿敏电阻2构成的冷却面湿度检测电路，该电路主要是由湿敏电阻器2、湿度信号放大电路（ICI、RP1、RP2、R3～R5、VD1～VD3）、稳压电源电路等构成，电路中湿敏电阻器2、放大晶体管VT1及R1、R2构成了湿度检测电路，用于检测冷却面湿度的变化，并将该信号传送到湿度信号放大电路中。+12V直流电压送入电路后，首先经电阻器R9～R11分压、稳压二极管VD2稳压后输出+6V电压，+6V电压一路为LM358的⑥脚提供工作电压，一路将R7降压、VDI稳压后输出2.5V电压，为湿度检测电路进行供电。

四、结语

综上所述，端子箱、机构箱热失控预警数据采集装置作为一种室外柜箱体内部冷凝预警装置，其利用了温度控制原理进行预警控制，具有较强的实用性，同时也具备较为广阔的市场空间，值得大范围推广。

参考文献：

[1] 柯敏倩,蔡国伟.变电站室外端子箱除湿措施研究[J].科技创新导报,2017,06:30-31.

[2] 王瑞峰.电网室外端子箱保温电源灼烧问题分析[J].装备制造,2016,04:93-95.