集中表箱智能除濕裝置設計及其性能研究

袁佩君，白少鋒，孫浩泳，柏兆勇，何娟

國網江蘇省電力有限公司泰州供電分公司，江蘇泰州，225306

0 引言

集中表箱是廣泛應用于380V及以下低壓電能計量的成套箱型裝置，主要用于低壓用戶計量和分配電能[1]。一方面，隨著城市化進程的加快，許多小區住宅和商鋪的集中表箱安裝在地下室及強電井等潮濕環境[2-3]；另一方面，集中表箱是由鋼材質加工而成，濕氣易積留在電表箱內部，造成表面一定的腐蝕。在此情況下，設備內部易發生凝露引起爬電、閃電事故，同時電氣金屬元件腐蝕厲害，嚴重時可導致開關線路短路而引發火災。

為了現場表箱安全，針對上述存在的問題，本文設計并研制了一種集中表箱除濕設備裝置。裝置內部采用專門的半導體制冷除濕方式并安裝溫度、濕度傳感器，可實現集中表箱內部溫度與濕度的實時監測。通過攜帶的RS485通信功能將數據實時反饋到用戶終端。該裝置使用方便、除濕效果穩定，還可廣泛應用于GIS控制柜、高低壓開關柜、環網等電氣設備。

1 凝露的產生條件

凝露是自然界一種非常普遍的物理現象?？諝庵饕山^干空氣、水汽和塵埃三部分組成[4]。當高濕的空氣遇到低溫以后，水蒸氣的分壓力達到對應于該空氣濕度的飽和壓力，空氣中的水汽便達到了飽和。若再次降低環境溫度，水汽就會從空氣中冷凝析出形成“露滴”。

對于集中表箱而言，當柜體內壁表面溫度下降達到露點溫度以下時，內壁表面會發生凝結現象。凝結現象的發生取決于室內溫度、柜內溫度、相對濕度以及露點溫度[5]。此外，由于我國各地氣候條件差異很大，某些地區濕度高、溫度變化大等諸多不利的外部環境因素加劇了凝露的生成。根據濕空氣焓濕圖，得到了露點溫度、環境溫度與相對濕度的關系，如圖1所示[6-7]。從圖中可以看出，相對濕度與露點溫度成正比。當環境溫度保持不變時，相應的露點溫度也隨著相對濕度的增加而增加。即相對濕度越高，凝結的概率就越大。

圖1 露點溫度、環境溫度與相對濕度曲線

基于對圖1的數據分析，要想防止凝露現象的發生，必須使凝露部位的表面溫度始終高于其周邊環境溫度。對于集中表箱而言，只要使控制柜內部的溫度始終高于柜外部的環境溫度，且盡量降低柜體內部的相對濕度，完全可以避免柜內產生凝露，從而維護表箱安全，防止濕氣過重導致短路跳閘等問題的發生。

2 智能除濕裝置設計及運行原理

2.1 智能除濕裝置設計

該集中表箱智能除濕裝置由電源系統、送風系統、半導體制冷器、溫濕度傳感器、溫濕度檢測控制回路、無線模塊及排水管路組成。綜合考慮該設備應用環境的局限性及便于安裝，該設備在研制時，外形尺寸設計為243×130×70（mm），使用M5螺釘或者5mm的鉚釘固定；為保證除濕的效果，抽濕裝置前面設計風扇口，保證正面風扇出風口出風。通信裝置采用目前市場上的RS485通信系統，它具有系統運行穩定、通信速率高等特點。集中表箱智能除濕裝置整體結構及通信原理分別如圖2和圖3所示。

圖2 集中表箱智能除濕裝置整體結構圖

圖3 集中表箱智能除濕裝置通信原理圖

2.2 運行原理

首先，對于集中表箱的除濕作用，設計專門的半導體制冷除濕方式。當潮濕空氣經風扇吸入后，通過特殊設計的風道流動，先經半導體制冷器降溫結露，制冷器的結露在重力作用下滴入引水槽，再由導水管流到柜外[8]。在設定的啟動值內，經過充分循環除濕，使柜內空氣濕度降至結露點以下，完成整個防潮引凝。同時，除濕裝置的信號采集傳感器能實時準確地采集到柜內的真實濕度，保證集中表箱智能除濕裝置在柜內將要達到凝露條件時提前啟動除濕。其次，該設備具有一定的兼容性，能夠攜帶RS485通信功能，其網絡采集器及接線方式分別如圖4（a）和（b）所示。采用RS485通信功能，通信地址可調、可遠程控制、可調節運行參數以及上報故障[9]。當具有RS485通信功能的除濕裝置收到上位機的數據時，分析數據后馬上回復數據給上位機。

圖4 網絡采集器及接線方式

該設備裝有智能操作面板，如圖5所示。開機后，除濕設備進入自檢狀態，上排數碼管顯示環境濕度值，下排數碼管顯示環境溫度值，用戶可以通過智能面板進行控制[10]。一方面，可自定義手動/自動模式，其模式方式通過指示燈進行顯示。在自動模式下，基于除濕設備里的溫度與濕度傳感器，當感知到環境較為潮濕時，即可自動啟動半導體除濕方式。另一方面，用戶按“設置/退出”鍵，通過選擇上排不同的數碼可自主設置除濕啟動值、自動設置濕度啟動值、濕度斷開值、溫度啟控工作模式等方式。

圖5 智能操作面板

3 智能除濕裝置性能測試

3.1 裝置安裝現場

在除濕裝置研制的基礎上，開發集中表箱智能除濕裝置產品，并投入到現實生活應用中。目前研發的集中表箱智能除濕裝置已在江蘇泰州、無錫等地安裝使用。

首先，在安裝集中表箱智能除濕裝置時必須豎放，出水口朝下，以保障冷凝水及時排到電表箱外。其次，要在電表箱里尋找恰當的位置，保證除濕裝置前面與其他裝置間有一定的空間，以此保證正面風扇出風口出風。然后，將出水管一端接入抽濕裝置的派送口，用卡箍固定，出水管中間保持順暢，以方便排水。最后，電源接線端子L/N接上AC220V電源即可。集中表箱智能除濕裝置現場安裝圖和集中表箱智能除濕裝置運行圖分別如圖6（a）和（b）所示。

圖6 智能除濕裝置安裝圖和運行圖

安裝完除濕裝置后，對現場進行測試。測試效果如圖7所示。在未安裝除濕設備前，柜壁上的小水珠有明顯聚集。在設備運行之后，柜壁上的小水珠明顯消失。該現象說明研制的除濕裝置能夠有效減少箱內空氣中的水分并降低相對濕度，將冷凝水安全地排放到電表箱外部，使集中表箱始終處于一個安全穩定的環境下運行。

圖7 智能除濕裝置測試效果

此外，通過無線通信對除濕裝置進行精準定位，通過手機終端能夠實時監測其運行狀態。對于其告警狀態及離線狀態能夠及時感知，方便派出維修員進行維護。以韻梅苑（2）小區為例，當該小區安裝的設備出現問題后，在終端即可看到設備此時的“告警”狀態。設備無問題正常運行時，即顯示“正?！睜顟B。圖8為集中表箱智能除濕裝置運行狀態實時監測圖。

圖8 智能除濕裝置運行狀態實時監測圖

3.2 溫度分析

以韻梅苑（2）小區安裝的集中表箱智能除濕裝置監測到的信息為例，分別對其某一天內、某一周內和某一個月內監測到的環境溫度進行分析。

圖9為韻梅苑（2）小區某一天內的環境溫度實時監測圖。該數據的記錄時間為2022年11月13日9時20分-2022年11月14日9時20分，共記錄到288條數據，平均每5分鐘溫度傳感器采集一次溫度值，反饋上傳速度極快，可實現24小時監測的功能。在該日，集中表箱內環境溫度平均為16.91℃。最高環境溫度與最低環境溫度分別為18℃和16℃。電表箱處于相對恒定的溫度，既不會很高也不會很低，該溫度能夠有效減少冷凝水珠的形成。

圖9 韻梅苑（2）某一天內環境溫度實時監測圖

圖10和圖11分別為韻梅苑（2）小區某一周內和某一個月內的環境溫度實時監測圖。在一周之內，共記錄2015條溫度傳感器監測數據，集中表箱內環境溫度平均為20.11℃。最高環境溫度與最低環境溫度分別達到25℃和16℃。在一個月之內，共記錄8907條溫度傳感器監測到的數據，集中表箱內環境溫度平均為20.01℃。最高環境溫度與最低環境溫度分別達到25℃和16℃。一方面，相較于日變化的環境溫度情況，周變化環境溫度與月變化環境溫度起伏較大，具體與每日氣溫值有關系。另一方面，該智能除濕裝置始終將環境溫度保持在一定的控制范圍內，避免溫差過大發生冷凝現象。若環境溫度超出設定的閾值，該裝置自動引凝。本除濕裝置適宜的環境工作溫度為-15℃～50℃，在溫度傳感器監測到的這些數據中，本裝置可完全正常工作，確保除濕效果。

圖10 韻梅苑（2）某一周內環境溫度實時監測圖

圖11 韻梅苑（2）某一月內環境溫度實時監測圖

3.3 濕度分析

以韻梅苑（2）小區安裝的集中表箱智能除濕裝置監測到的信息為例，分別對其某一天內、某一周內和某一個月內監測到的環境濕度進行分析。

圖12為韻梅苑（2）小區某一天內的環境濕度實時監測圖。記錄時間為2022年11月13日10時-2022年11月14日10時，共記錄到288條數據，濕度傳感器實現24小時監測功能。在該日，集中表箱內環境濕度平均為52.78%。最高環境濕度與最低環境濕度分別達到51%和55%。

圖12 韻梅苑（2）某一天內環境濕度實時監測圖

圖13和圖14分別為韻梅苑（2）小區某一周內和某一個月內的環境濕度實時監測圖。在一周之內，共記錄到2015條濕度傳感器監測數據，集中表箱內環境濕度平均為64.65%。最高環境濕度與最低環境濕度分別達到75.5%和51.0%。在一個月之內，共記錄到8907條濕度傳感器監測數據，集中表箱內環境濕度平均為58.20%。最高環境濕度與最低環境濕度分別達到75.5%和36.0%。集中表箱要求的濕度默認啟動閾值為＜65%。

圖13 韻梅苑（2）某一周內環境濕度實時監測圖

圖14 韻梅苑（2）某一月內環境濕度實時監測圖

4 結論

通過現場測試以及數據分析，研制的集中表箱除濕裝置能夠有效降低電表箱內的相對濕度以及通過形成冷凝水的方式安全地排放到表箱外部。該裝置符合集中表箱除濕設備標準以及技術參數要求，對于解決表箱內因濕氣過重導致的短路跳閘等問題具有推動作用。