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半导体制冷冷凝除湿与热管传热技术在电气屏柜的应用对比

admin 2018-11-01 技术论文 212 ℃ 0 评论

电力系统中,温度及湿度对电气设备的安全稳定运行起到至关重要的影响,开关柜温度、湿度过高都将引起柜内装置的异常,如装置告警、通信异常等。本文主要阐述采用超导热管换热技术实现内外循环相互隔开高效换热,充分利用环境冷却技术、隔墙散热对各种端子箱、机构箱、二次三次设备的屏柜进行散热、除湿、防尘的智能系统装置的开发。

引言
在电力系统中,温度及湿度对电气设备的安全稳定运行起到至关重要的影响,安装电气设备的房间温度过高将引起主变、闸刀、电抗器、电容器等设备发热;二次继保设备、三次通讯设备屏柜温度、湿度过高都将引起柜内装置的异常,如装置告警、通信异常等。例如对于敞开式设备的端子箱,在阴雨天气或者黄梅季节,电缆沟中的积水将蒸发成水汽通过电缆孑L洞进入端子箱,导致端子箱内凝露潮湿,这直接导致了端子箱内端子排的绝缘损坏,后果相当严重,因此如果开发出有效的祛潮系统应用于该类端子箱内将使得这种情况得到很大的改善。
1电气屏柜常用的防凝露除湿措施及存在问题现有的温湿度控制系统工作原理:现在市场上所有温湿度控制系统的传感器几乎都是同一种类型,即在一个陶瓷基板上印制一种高分子半导体电阻材料,引出两端电极,当传感器表面干燥时,分子间接触电阻小,电极两端电阻为1 kn左右;而当高分子材料吸收水分后,其内部分子空间迅速膨胀,分子间接触电阻变大,使电极两端的电阻率大大增加。电子控制器通过测试电阻的大小来感知或预知是否发生凝露。

例如凝露传感器,这是一种正特性开关型元件,它对低湿度不敏感,而对高湿度敏感,在70%~100%RH范围内阻值变化较大。
这种类型传感器有两个固有的特性缺陷:
(1)在相对湿度不高时凝露传感器有一个离散区,在这区间传感器对相对湿度变化不敏感而且变化的阻值也不精确,其输出特性不但与相对湿度的大小有关,与露点温度也有直接关系。例如,有时人体感觉到空气中湿度很大,但加热器并没有启动,这是由于传感器表 面没有达到露点温度(也就是在传感器表面没有结成水珠)的缘故。
(2)由于凝露传感器必须不断地吸入或释放水分
子,传感器受空气中灰尘或水份中的化学物质侵蚀后会改变灵敏度,导致防凝露的控制点出现偏差,这时会出现在湿度已是很高、凝露极易发生的情况下还没有启动加热器,或者加热启动后长期不会自动退出的现象,这就降低了防凝露传感器的灵敏度和可靠性。
2热管与半导体复合制冷除湿装置的设计与研发
2.1装置的组成
考虑采用传感器智能化控制,用半导体制冷器除湿,用PTC热敏陶瓷发热器采用热风循环升温。热管与半导体复合制冷除湿装置设计图如图1所示。其主要组成部分为:阔电压稳压电源;高性能的湿度传感器及温度传感器组合(以下简称传感器);控制电路;半导体制冷器;铝合金散热片;轴流风机;PTC热敏陶瓷加热器;结水合;出水管;外壳。
图1.jpg图1

2.2工作过程和工作原理
接通电源,抽湿器处在待机状态(自动状态)。传感器对周围环境温度和相对湿度的变化进行检测,当测得电气柜内湿度大于设定值时,传感器将信号传送至控制电路,制冷器开始制冷,风机将电气柜内的湿空气吸入,吸入的湿空气通过处于低温的铝合金散热片时,空气中含有的水分子将凝结于低温的铝合金散热片上,最后凝结成水珠落入结水合,通过出水管排出电气柜。抽湿器就通过风机吸入湿空气排出低湿空气。经过一段时间的循环风,使电气柜内空气湿度下降到标准工作条件,并使结露不能发生,使湿度保持在设定值以下一定区间内。该系统重新处于监控检测状态,如此反复实现自动控制。抽湿器同时具有升温和降温功能,当传感器测得电气柜内温度低于设定值时,传感器将信号传送至控制电路,内置胛C热敏陶瓷加热系统采用热循环风对柜体内进行升温,使温度保持在一定区间内。当传感器测得温度高于设定值时,传感器将信号传送至控制电路,控制电路内置继电器触点闭合输出,通过连接外置风机对电气柜进行降温。
2.3优点与积极效果
本设计采用的高性能温湿度传感器配合高效半导体制冷器,可根椐电气设备对湿度的要求设定电气柜内的温湿度,并有效地控制和把多余的湿度变成水排出电气柜,提高电气柜的使用寿命,柜体内没有凝露水的产生,对电气设备的安全运行提供可靠的环境保证。同时半导体制冷器的功耗小,其抽湿效果与目前采用电热板降湿温湿度控制器相比,对比同样的相对湿度下降值,其功耗只有目前温湿度控制器的20%。将节约80%电能。半导体制冷器和町C热敏陶瓷加热器其使用寿命均大于4万小时,大大高于采用金属丝制成的电加热板的使用寿命。
3热管与半导体复合制冷除湿装置的制作
3.1原型机的制造
首先采用热管。热管换热器是换热器的一种,是由带翅片(散热片)的热管束组成的换热器,如图2所示
图2.jpg图2

一般情况下,它有一个矩形的外壳,其内布满了带有翅片的热管,在矩形壳体内部的中部有一块隔板把壳体分成两个部分,形成高温流体和低温流体的通道。当高、低温流体同时在各自的通道中流过时,热管就将高温流体的热量传给低温流体,实现了两种流体的热交换。因热管换热器结构简单、换热效率高,且同比其他类型的换热器而言压损较小,使得其越来越受到人们的推崇,在工业中应用也越来越广泛。
3.2初步测试后制作改良型装置
对初型机进行测试后确认设计方案是可行的,但为了达到更明显的降温效果以及除湿性能,需继续改良装置的内部结构,如设计热管的倾斜角度,强化导热效果;采用电动风阀等方式。图3所示为改良后的装置图。
图2.jpg图3


4管与半导体复合制冷除湿装置的现场测试完成装置的制作后,在现场对设备进行了测试,通过对模拟柜的人为加热,现场测试降温及除湿效果,同时对不同的测试工况下的数据进行比较,完成最后的测试。试验环境:温度19℃~20 oC;相对湿度40%~45%RH;柜体密封度97%;试验箱体体积:1 200 mmx600 mmX500 rflln。试验内容:测试半导体制冷除湿与热管传热技术,在一定环境温度下用加热器对测试柜内进行加温,当温度达到饱和后开启热管传热系统对柜体内温度进行降温。
试验采用热管传热系统的降温功率为400 W;测试箱体内加热系统功率为500 W。
试验结果:
第一阶段:9:37~10:38为加热器加热过程,最高温度为52℃。
第二阶段:10:38~10:39柜机中加热器继续工作,热管传热开始工作,温度从52℃降至39℃。
第三阶段:10:39~11:09柜机中加热器继续工作,热管传热继续工作,温度继续从39℃降至35.5℃。
第四阶段:lI:09~11:39柜机中加热器停止工作,热管传热继续工作,温度从35.5 qC降至20.5℃环境温度。
试验结论:
(1)在500 W的加热器(测试时环境温度为20℃)对测试柜体内进行长时间加热升温后,最高可以使柜体内温度升至60℃。
(2)开启热管传热系统后,测试柜体内温度迅速下降至39℃,然后缓慢降至32℃。
(3)测试柜体内与柜体外的温度差为10℃。
5结束语
本项目采用的高性能温湿度传感器配合高效半导体制冷器,可根椐电气设备对湿度的要求设定电气柜内的温湿度,并有效地控制和把多余的湿度变成水排出电气柜,提高电气柜的使用寿命,柜体内没有凝露水的产生,对电气设备的安全运行提供可靠的环境保证。同时半导体制冷器的功耗小,其抽湿效果与目前温湿度控制器采用电热板降湿效果相比,对于同样的相对湿度下降值,其功耗只有目前温湿度控制器的20%,将节约80%电能。
由于采用分离式的内外循环导风系统,外循环导风系统可使柜体外部的灰尘与湿气不能直接进入柜体内部。内循环导风系统可使柜体内部温度均匀,发热设备的温度可以明显下降,同时当柜体内部相对湿度较高时,半导体制冷系统通过内循环导风进行除湿。该装置的安装将大大提高电气屏柜中设备的运行工况,为电力设备的安全稳定运行提供保障,具有非常重大的意义。

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