电气设备防潮除湿

　摘  要 电气设备的安全与稳定运行是电力系统安全可靠供电的基础，然而雨季的相对湿度大，持续时间长，电气设备长期运行于潮湿的环境中，设备的绝缘会降低甚至在设备的表面会产生沿面放电的现象。针对这种情况，本文介绍了冷凝除湿设备、固定床除湿器、转轮除湿器、热泵和电化学除湿器、液体除湿设备、膜除湿器、HVAC 除湿系统的研究进展。分析了各种除湿设备的原理、应用领域及优缺点，指出了除湿设备的发展方向。针对潮湿环境，本文以半导体制冷片作为核心除湿器件，初步研发了用于电气设备的除湿器。该除湿器利用半导体制冷片一面制冷一面发热的性能，使电气设备内的湿空气在半导体制冷面快速凝结，排到外面，同时半导体制冷片的散热面对冷凝后的湿空气进行加热，从而从根本上降低了电气设备内湿空气中的含湿量。

　  关键字：电气设备；冷却除湿；半导体制冷片；除湿器

　一、目的意义

　电气设备所处的空间和工作环境中,如果湿度太大 ,将引起电气设备绝缘程度降低 ,可能发生漏电、放电等现象 ,这将严重危及人身及设备的安全。再测 ,湿度大也能造成电气元件金属部分的锈蚀 ,这将导致设备工作不可靠 ,甚至发生故障 ,造成严重损失。所以 ,我们必须重视电气设备防潮这项工作。

　 端子箱是所有现场运行设备的控制回路、保护回路、测量回路、计量回路中模拟量提取的中转设备。保持端子箱运行在健康状态，对电力系统安全稳定起着很大作用。

　 端子箱在正常运行中可能会进水，受潮。因为端子箱大部分运行在户外，受天气影响较大，同时又紧挨着电缆沟。为了防水，端子箱门的气隙已经做得很封闭，导致其内潮气不能快速地排出。尤其在我过南方地区，空气湿度大，导致端子箱长期运行在高潮度环境下。当端子箱内的湿空气达到露点温度时容易形成水雾和水珠，端子箱内的电气设备长期处于水雾和水珠的环境下，其绝缘能力将随之下降，影响了机械、电气性能。严重者会在绝缘体表面沿面放电或者发生误动，拒动的事故。目前，端子箱内普遍没有理想的除湿器。部分单位加装了加热器，希望可以提高端子箱内的温度防止湿空气结露，但是效果并不理想。

　 　　因此，设计一款能长期运行在端子箱内的除湿器，自动检测并能有效，快捷的降低端子箱内空气的相对湿度，将变得愈加必要。

　 二、研究现状

　   现在国内外的除湿技术主要有冷却除湿，吸附除湿，热泵除湿，膜除湿，质子传导电化学除湿。

　     冷却除湿的工作原理是通过降低冷凝器表面温度使空气温度降到露点温度以下，从而析出水汽，降低空气的含湿量，再利用部分或全部冷凝热加热冷却后的空气，从而降低空气的相对湿度，达到除湿目的。空气的冷源可使用制冷机的制冷剂，冰水或卤水。除湿机需人工倒水以及空调器滴水。凡通过这种方式将密封空间内空气中是水分排出以降低湿度的除湿方式均属冷却除湿。

　     由于半导体制冷的效率较低，耗电量大，器件成本和低压直流电源的造价较高，因此，它对于小功率制冷非常便宜，但在除湿量较大的场合，其经济性和效率则不如机械制冷，一般仅在核潜艇，深潜加压舱，潜水器，军用通讯车，空中及地下工程等特殊场合中应用。

　     固体吸附式除湿，目前国内外主要研究两类固体吸附式除湿装置，一类是固定床式除湿器，包括交叉冷却式除湿器，另一类是旋转式除湿器，包括平行通道式除湿转轮和蜂窝状除湿转轮。

　     最原始的固定床除湿是在密封的容器内放置除湿剂进行除湿。后来出现了将固体吸附剂（如硅胶，分子筛，活性氧化铝，沸石等）作为固定层填充于塔内 矿区除湿，该除湿方式为间歇方式，需要定期进行脱附处理，而且无论操作还是控制都不方便。于此同时出现了流化床除湿器，但是其动力消耗较大。为了能连续除湿，出现了两塔并用的除湿器：一塔用于吸附空气水分，另一塔用于再生，经过一定时间后将塔转换，使吸湿与再生互换，如此可连续除湿。最初的两塔并用除湿都是在常压下进行，脱附采用的是热脱附。为了进一步提高除湿的效率和降低脱附需要的能量，出现了非加热再生的变压吸附除湿器。

　     变压吸附法的除湿装置得到了大幅度的革新，不需要加热空气即可再生吸附剂。当压力从吸附操作压力降到常压时，利用吸附剂的吸附平衡差使水分解吸，再用干燥空气使吸附再生。为了满足加热，冷却过程的要求，加热再生除湿装置再生时间往往长达

　6~8小时。变压法再生是在等温条件下进行的，切换时间可以很短，因此，塔可以做得很小，大大地降低了装置成本。但是,变压法消耗的再生空气比加热再生除湿装置消耗的干燥空气多(不会超过20 %) ,这是其不足之处。选择流速时还应考虑到不使吸附剂产生粉末或破碎,也不要使吸附剂在压出过程中产生流动或加压时被吹起。过大的流速可能造成吸附剂颗粒的流动从而产生摩擦粉化。与此同时,吸附剂的装填方式也是必须考虑的问题。因此, PSA 法空气除湿总体来讲不是一种便于设计操作的方式,如处理不当,会出现效率较低或能耗过大等问题。

　 固定床除湿器最初只有待除湿气流通道,没有冷却气流通道,床的两面均有除湿剂,后来也有采用蜂窝状吸附床层的,虽然吸附性能有所改进,但是由于有吸附热易积累、难排放而引起床层温度升高导致除湿效率降低的缺点,后逐渐被具有冷却气流通道的床层所取代。具有惰性填充物的冷却床的惰性填充物和冷气流可以同时移走吸附热,从而降低了床层的温度,提高了除湿效率。后来又出现了具有冷却气流通道的错流床层结构,强化了床层内部的换热, 这样进一步提高了床层的除湿效率[729 ] 。

　 为了能连续除湿和利用工业余热等低品位热源,又出现了转轮除湿机[10213 ] 。转轮除湿之所以备受青睐,是由于其可连续运转,湿度控制容易,依转盘直径大小可制成各种不同风量的机型,维护容易而且可以充分利用工业余热、废热、天然气、太阳能等低品位热能,能迅速、简便有效地降低空气中的湿度,卓有成效地解决常温低湿、低温低湿等用其他制冷方法无法解决的除湿问题,特别是配套组合处理后空气露点可达- 40 ℃以下。液体转轮除湿机充分扩大了转轮除湿机的使用范围。虽然转轮除湿机具有许多优点,但也有明显的缺点,如固体转轮除湿机结构复杂、费用高、易跑湿,而且除湿过程流体温升较大,一般为30 ℃;转轮旋转结构容易出现漏风现象,特别是氯化锂除湿转轮转盘具有容易出现过饱和现象而致使吸湿剂流出,或吸水不平衡致使转盘转动时产生摆动的缺点,因此在相对湿度超过75 %时,需在除湿机入口处增设加热器,降低入口空气的相对湿度以避免吸湿剂过饱和;分子筛转轮除湿机不仅价格较硅胶贵,而且要求转轮再生空气温度高。

　 热泵除湿，热泵除湿的基本工作原理为蒸发器加热制冷剂使其由液态变为气态，然后经过压缩机使其又由气态变为液态并释放出热量，此热量传导至干燥室对空气和物料进行加热，使水分蒸发。当干燥室内的温度达到设定值时，热泵加热装置关闭同时启动除湿装置，干燥室内的湿空气进入热泵除湿装置。湿空气的水分在除湿器表面被冷却到露点温度以下析出水珠，经过排水管排出并被辅助加热器加热再次进入蒸发器，进行再循环。

　     由热泵除湿的原理可知，此种控制方法没有污染，效率较高，同时干燥设备的操作与维修方便。但此种方法投资成本较高，适合于物理质量和生化质量要求较高或者较敏感性的材料。

　     膜除湿，膜科学技术是一门新兴的高分离、浓缩、提纯、净化技术。近年来随着膜技术的进步,利用膜的选择透过性进行空气除湿的方法有了较快发展。要使水蒸气透过膜,必须在膜的两端产生一个浓度差,这种浓度差既可由膜两端压力差造成,又可由膜两端温度差造成,或者是由温度和压力共同作用产生。目前对膜空气除湿基本都是以膜两边的水蒸气分压差作为驱动势,因此为了强化除湿,应尽量增大膜两侧的压力差。张立志等人综述了利用压差的膜除湿的各种工作模式[ 26 ] 。近年来也出现了一种新颖的空气除湿方式———湿泵除湿[ 27 ] ,其除湿机理为: 水蒸气从分压较低的一侧向水蒸气分压较高的一侧渗透,水蒸气传递方向是逆压力方向的,因此称之为湿泵。使用湿泵可以利用低品位热源,节省高品位电能。S. Paul 等人则将冷凝除湿和膜除湿结合使用[ 28 ] ,其优点是:冷凝液体不直接与被除湿的空气接触,直接回收冷凝水作为循环冷却水,有较高的传热系数。膜法空气除湿具有传统除湿方法所不具有的许多优点,如除湿过程连续进行、无腐蚀问题、无需阀门切换、无运动部件、系统可靠性高、易维护、能耗小、维护费用少等,因此很快受到人们的重视并成为膜分离技术应用开发的热点之一。但是,除湿膜还存在透湿率低、强度差、成本高等缺点。相信随着材料科学和膜制备技术的提高,具有更高渗透特性、更高机械强度的新型膜将不断涌现。

　     质子传导电化学除湿的基本原理是水蒸气在阳极被电解之后形成质子，质子在电流的作用下转移到电解质中并越过电解质膜到达阴极，并在阴极放电之后形成氢分子，释放到阴极产生的气体中或者直接与空气中的氧形成水蒸气。不论是形成氧气还是生产水，都使阳极器件中的水蒸气含量下降。

　     由电化学原理可知此种除湿方法是通过水电解的方式除湿的，由于只利用电能，而且在电解过程中不会产生有害的物质，所以对环境没有污染。但是，此种方式目前仅只限于理论研究阶段。

　     本课题研究是主要内容。本论文主要针对南方电网变电站端子箱的受潮问题，研究开发一款有效降低端子箱内部空气相对湿度的除湿器，主要工作如下：（1）掌握3—4种电气设备的除湿方法和装置运行原理。从经济性和实用性综合比较各种措施的优缺点。（2）设计以硅芯片为核心部件的防潮装置。（3）针对变电站室外端子箱的工作环境选择合适的除湿方式和适当的核心除湿元器件。开发适用于变电站室外端子箱内部的除湿器，使开发出的除湿装置既能有效降低端子箱内空气的相对湿度又能长期安全稳定地运行。

　 三、小结

　 电气设备所处的空间和工作环境中,如果湿度太大 ,将引起电气设备绝缘程度降低 ,可能发生漏电、放电等现象 ,这将严重危及人身及设备的安全。再测 ,湿度大也能造成电气元件金属部分的锈蚀 ,这将导致设备工作不可靠 ,甚至发生故障 ,造成严重损失。所以 ,我们必须重视电气设备防潮这项工作。设计以硅芯片为核心的防潮除湿装置显得尤为重要。

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