半导体技术在变电站开关柜除湿中的应用

半导体技术在变电站开关柜除湿中的应用

刘育彰

身份证号： 61012419920203****

摘要：在我国多数地区变电站系统运行中，高压开关柜防潮除湿都是实际运行面临的重要问题。传统运行模式中，主要是利用安装排风扇、加热器等方式进行解决，除湿效果较差。本文在分析变电站开关柜潮湿现象发生原因基础上，分析利用制冷芯片搭建硬件平台，实现对温湿度的合理控制，并通过模拟实验进行验证，以此为开关柜正常运行提供思路参考。

关键词：变电站；开关柜；半导体；除湿

在变电站系统运行中，开关柜运行质量对电网运行安全性、稳定性具有直接影响。但是由于气候因素影响，开关柜内不可避免会产生潮湿现象。在潮湿现象处理不及时的情形下，不仅会会造柜内金属部件的锈蚀，还会明显影响电力设备的绝缘效果，出现局部放电，进而使得电力设备运行安全受到影响。

1、变电站开关柜室潮湿的原因

变电站开关柜安全事故的产生，直接性原因多集中在绝缘件的绝缘功能下降，间接原因是由于产品质量不达标或者运行环境潮湿现象较为严重，在受潮现象严重的情形下，甚至会出现开关柜爆炸现象。综合分析开关柜潮湿现象产生的原因，主要集中在如下几个方面：一是由于我国气候特征的影响，由于温带气候和亚热带季风气候特征的影响，使得夏季高温多雨天气较多，在变电站进行百叶窗换气时，就会将外部的潮湿空气附着在绝缘体上，产生明显的受潮现象。二是在变电站施工过程中，质量控制不到位，会使电缆沟出现老化和脱落现象，在变电站开关柜底部位置出现不同程度的渗漏现象。三是多数开关柜的结构都较为固定，在顶部没有设计通风口，使得水蒸气集中在开关柜顶部位置，对母线仓运行安全造成影响。这些现象在我国多数地区电力行业运行中，都有较为广泛的存在。虽然电力部门也制定了对应的运维措施，定期由专业人员开展运维工作。但是人工作业模式对人力资源浪费较大，在运行安全上也存在不稳定性，开发设计安全可靠、适用性强的除湿处理系统，是变电站开关柜正常运行的基本要求。

2、半导体除湿设备的原理

半导体除湿的基本原理是法国科学家所发现的帕尔贴效应，也就是电热偶在通入电流不同方向时，会在材料的不同节点出现吸热和放热现象，前者会使材料温度升高，而后者则会使得温度降低^[1]。经过研究发现，碲化铋等半导体材料，在实际应用中，能够较好的满足帕尔贴效应要求，因此出现了诸多以此材料为基础的半导体制冷器件，并广泛应用于各个行业。

利用半导体技术对开关柜进行除湿处理，其过程是先利用半导体作用，将潮湿空气中水蒸气冷却至露点温度以下，在水汽产生凝结后，直接排出开关柜，进而达到除湿目的。通过对半导体制冷器件施加直流电源，在帕尔贴效应作用下，半导体的冷端能够从外界吸收热量，使得周围环境温度逐步降低，而热端则会向热端释放热量。在风扇作用下，反复产生冷却作用，就能够顺利将湿气凝结的水排出开关柜之外，确保封闭空间内空气湿度达到设定值。

3、实验过程

3.1 构建数学模型

数学建模在各种数据分析中都具有较为广泛的应用，将其应用于开关柜除湿过程，是在考虑热辐射、热对流等相关影响参数，在特定体积内，根据除湿器的运行时长，对开关柜的除湿过程进行建模分析。建模和分析流程如下所述：（1）计算出对应质量湿空气的熵值。（2）根据单位湿空气的熵值，计算出含湿量^[2]。（3）在理想气体状态下，推算出干空气的密度和干空气的质量。在模型计算过程中，可以看出湿空气的熵值会由于空气中的热量变化而不断发生变化。（4）半导体制冷片开始作用，在经过特定工作时间后，计算出热对流和热辐射的总功。（5）在经过对应作用时间后，就可以计算出箱内湿空气熵值的变化。（6）在特定湿度条件下，半导体除湿器经过一段工作后，在将其他参数设为定值的情形下，就能够通过数学模型的构建，计算出开关柜内的理论湿度。（7）在得出计算结果后，结合模型要求布置对应的实验，并将二者运行结果进行对比，就可以明确半导体制冷片的理论效果，并在实际应用中进行改善，以达到实际应用目的。

3.2 实验布置

数学模型的构建，是通过对相关参数的优化，实现对实验过程的模拟计算。为更好的验证数学模型，需采用搭建实验平台方式，对数学模型进行验证。模拟装置包括开关柜装置、除湿装置和控制器等，通过控制电路和传感器装置完成数据采集，并在显示屏上将结果显示出来。

实验原理如下所述：利用浮点控制器作用，在除湿系统开始工作后，首先读取传感器数值，在湿度超出设定数值时，就可以通过PI控制器的作用，确保半导体制冷片开始工作，对湿度进行处理。在温度降低至一定程度时，能够使水蒸气在电器柜壁面位置凝结成水，在控制器作用下，电热丝启动，对温度进行调节^[3]。在连续调节作用下，开关柜完成除湿工作。其具体模拟流程如下所述。

模拟过程尽量选择较为潮湿的环境（例如雨天）进行，用于实验的开关柜体积要与实际设备保持相近。首先是在理想条件下，进行模拟实验，也就是假定开关柜处于完全密闭状态，内外部空间只会产生热对流和热辐射作用。每间隔2min记录一次传感器湿度数值，连续进行3组实验，准确记录测得的湿度和温度值

^[4]。在湿度和温度值保持稳定状态下，设定制冷片的功率和运行时间，计算除湿器在特定工作时间后所测得开关柜内湿度。准确计算实验值后，将实验数值与理论数值相对比，得出二者的差异。

3.3 实验结果

通过数据对比分析，实验过程和数学模型计算两种方式得出的数值在变化趋势和数据值方面基本吻合，证明将半导体制冷片应用于变电站开关柜除湿时，能够达到较好的应用效果。

3.4 应用要点

虽然通过数学建模和实验过程，都证明了半导体技术在变电站开关柜中除湿中的良好应用效果，但是这两种方式，都对实际运行条件进行了简化，使得在实际应用中，还需要进一步完成后续实验分析，以确保实际应用能够真正达到效果。首先是开关柜自身由于做工问题，整体密闭性较差，在实际应用中，还需要对真实运行环境下除湿效果进行模拟^[5]。二是开关柜内空气温度和湿度并非长时间处于恒定状态，还需要通过实验设计，进一步验证半导体制冷片运行的可靠性。三是除湿器处于长期工作状态下，热应力参数会发生变化，对设备运行稳定性造成影响，因此在实际应用中，还可以通过添加PLC自动控制系统，对实际运行状态进行调节，以确保设备能够在运行条件发生变化时，运行状态也随之发生变化，进而实现稳定运行。

4、结束语

半导体制冷技术的研究，在我国已经有数十年历史，在变电站开关柜除湿中的应用，也已经有数年历史，理论技术已经相当成熟。通过相关测算，将半导体技术应用于变电站开关柜除湿中，能够减少由于人工作业模式带来的人力物力浪费，能够改变传统的变电站保养工作模式，尤其是对较为偏远的变电站，具有更高的实用价值。因此在相关工作开展中，可以通过技术改造，较好解决开关柜除湿效果不佳带来的安全问题。

参考文献

[1]黄毓玲,李贺,董召强,浮海,杨斌.基于半导体技术的变电站开关柜除湿技术[J].电气技术,2020,21(03):141-145.

[2]施启,张杰,肖一帆,杨文益,陈岳生.关于变电站高压开关柜防潮除湿分析与防范措施探讨[J].电气技术与经济,2018(06):18-20.

[3]陆昕.变电站开关柜室除湿防潮的有效方法与治理对策[J].电子世界,2016(05):84-85.

[4] 韩金华,张健壮.大型电力变压器典型故障案例分析与处理[M].北京:中国电力出版社, 2012.

[5]陈化钢.电力设备预防性试验方法及诊断技术[M]. 北京:中国科学技术出版社, 2001.