國電江蘇電力有限公司揚州供電分公司、中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇電力設(shè)計院有限公司、無錫賽福電力環(huán)境控制設(shè)備有限公司的研究員陳固、游婷婷、劉明濤、方成在2019年第11期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，柜內(nèi)空氣冷凝是變電站開關(guān)柜運行閃絡(luò)故障的主要原因。

在分析冷凝形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了消除電纜溝進(jìn)線內(nèi)高壓開關(guān)柜時冷凝的技術(shù)實施方案。通過使電纜溝和開關(guān)室內(nèi)的空氣溫度和濕度參數(shù)趨于均勻，有效地避免了內(nèi)部在高電壓開關(guān)柜時冷凝的產(chǎn)生。工程實踐證明，該技術(shù)方案是可行的。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市用電負(fù)荷密度的增加和城市建設(shè)美化要求的提高，越來越多的城市變配電設(shè)施從室外轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，輸電線路也從架空轉(zhuǎn)移到地下電纜溝敷設(shè)。通過對現(xiàn)有變配電站高壓開關(guān)柜運行故障的分類分析，發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)空氣凝結(jié)是導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度下降和開關(guān)柜故障的主要因素之一。

在分析高壓開關(guān)柜空氣凝結(jié)原因的基礎(chǔ)上，提出了解決電纜溝內(nèi)空氣凝結(jié)問題的技術(shù)方案，通過消除氣室開關(guān)柜與電纜溝之間的空氣溫濕度差，保證高壓開關(guān)柜不會發(fā)生凝結(jié)閃絡(luò)，防止運行故障的發(fā)生。

1高電壓開關(guān)柜運行環(huán)境分析

現(xiàn)有的變電站開關(guān)室采用機(jī)械通風(fēng)、空調(diào)制冷、除濕機(jī)等方法來滿足一年中的大部分時間的要求。但是，在某些特殊時期，由于室外氣候的突然變化(主要指氣溫、濕度和粉塵濃度的變化)，電纜溝內(nèi)的電氣元件或電氣柜的結(jié)構(gòu)元件(如圖1所示)會發(fā)生結(jié)露，結(jié)露開關(guān)柜，導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能顯著下降，甚至擊穿、設(shè)備腐蝕、設(shè)備加速老化、局部放電和部件損壞，使設(shè)備更容易發(fā)生故障，增加維修成本，降低電網(wǎng)安全運行概率等。

圖1電纜溝蓋板的冷凝現(xiàn)象

1.1揚州地區(qū)的氣候特征

由于揚州位于江蘇省中部，長江與京杭大運河交匯處，水系發(fā)達(dá)，位于沿江或低洼地區(qū)的含水量變電站的土壤和空氣含水量較高。同時，揚州屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，夏季屬于江南梅雨氣候。外部空氣中存在的水蒸氣慢慢滲入設(shè)備，導(dǎo)致電纜溝中水蒸氣的水分含量=±0 +,逐漸上升，容易導(dǎo)致冷凝。

1.2 開關(guān)柜運行環(huán)境特征

1)開關(guān)柜引入電纜溝

采用電纜溝入口和接地布置，房間開關(guān)柜與室外大氣相通，室內(nèi)外溫差變化很大。電纜溝在地下時，其內(nèi)部溫度受土壤溫度影響較大，變化較小。然而，由于電纜溝底部和壁面的水分滲透和蒸發(fā)，溝內(nèi)空氣的相對濕度較高，露點溫度與溝內(nèi)空氣溫度的差異相對較小，通常在9℃至12℃之間。

冬季，當(dāng)開關(guān)室內(nèi)溫度低于10℃時，電纜溝內(nèi)的潮濕空氣會在電纜溝蓋板內(nèi)側(cè)和開關(guān)柜底板上形成冷凝。在夏天，當(dāng)潮濕的室外空氣進(jìn)入房間時，室內(nèi)空氣的露點溫度上升。當(dāng)溫度超過電纜溝蓋板溫度時，室內(nèi)空氣將凝結(jié)在電纜溝蓋板的上表面。

2)開關(guān)柜結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)12.3.2.2《中國國家電網(wǎng)公司18大反事故措施》，為防止開關(guān)柜火災(zāi)蔓延，該柜的柜體、母線室及其他功能間之間應(yīng)采取有效的阻隔和隔離措施。因為開關(guān)柜本身缺乏空氣循環(huán)條件，所以進(jìn)入設(shè)備的水蒸氣不能自行排出。晚上，當(dāng)金屬墻板的溫度低于空氣的露點溫度時，就會發(fā)生冷凝。白天，冷凝物會蒸發(fā)并變成水蒸氣。潮濕的空氣會積聚很長時間，冷凝會反復(fù)發(fā)生。

國家電網(wǎng)公司《十八大反事故措施》中的12.3.1.6規(guī)定，開關(guān)柜配電室應(yīng)配備通風(fēng)、除濕和防潮設(shè)備，以防止冷凝引起的絕緣事故。常見的溫濕度控制器開關(guān)柜安裝在開關(guān)柜的上柜門板上，溫濕度傳感器嵌在控制器中，加熱器安裝在開關(guān)柜的后柜側(cè)壁上，加熱器無法根據(jù)溫濕度進(jìn)行有效控制。當(dāng)內(nèi)外空氣溫度差開關(guān)柜大時，在開關(guān)柜內(nèi)容易產(chǎn)生冷凝。

3)開關(guān)柜房間環(huán)境分析

當(dāng)常規(guī)開關(guān)柜房間通風(fēng)系統(tǒng)運行時，室外空氣通過進(jìn)氣百葉窗或門窗之間的縫隙等進(jìn)入房間。，吸收室內(nèi)開關(guān)柜設(shè)備散發(fā)的熱量，然后通過風(fēng)扇排出房間。由于缺少溫濕度聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)的啟停控制需要運行維護(hù)人員手動操作，揚州地區(qū)濕度較高。春秋兩季，尤其是雨季，空氣濕度大，冷熱交替頻繁。高濕度空氣不能通過通風(fēng)系統(tǒng)有效排出，這使得長時間處于高濕度環(huán)境中開關(guān)柜。

1.3冷凝對開關(guān)柜的影響分析

1)對空氣絕緣的影響

結(jié)果表明，當(dāng)溫度保持不變，球隙放電電壓低于80%相對濕度時，隨著相對濕度的增加，放電電壓逐漸增大。在相對濕度高于80%的高濕度條件下，隨著相對濕度的增加，放電電壓不會由于高濕度而嚴(yán)重降低。因此，當(dāng)空氣的相對濕度小于95%相對濕度時，對開關(guān)柜的空氣絕緣沒有顯著影響，但是當(dāng)有冷凝時，球隙的放電電壓下降到接近正常值的一半。

2)對導(dǎo)體的影響

對大量開關(guān)柜內(nèi)部絕緣故障的分析表明，由于潮濕空氣的腐蝕，斷路器的大量手車觸頭和母線被氧化。斷路器手車的動、靜觸頭氧化后，一方面粉狀氧化物會落入觸頭盒，減小爬電距離；另一方面，增加動觸點和靜觸點之間的接觸電阻容易導(dǎo)致熱故障。加熱后，絕緣材料受熱分解，絕緣性能下降。

3)對絕緣材料的影響

開關(guān)柜絕緣有三種類型的絕緣支柱、母線套管和接觸盒，通常用環(huán)氧樹脂壓鑄而成。在潮濕環(huán)境中，由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)基團(tuán)的極性和吸水性，很容易與水分子結(jié)合形成氫鍵，從而增加電導(dǎo)率，降低表面電阻率和體積電阻率。

冷凝會在絕緣材料表面形成結(jié)晶水。當(dāng)空氣中的灰塵溶解在結(jié)晶水中時，由于局部電子的快速運動和結(jié)合，會在絕緣材料表面形成小電弧燃燒，破壞絕緣材料的表面絕緣。隨著分解效應(yīng)和閃絡(luò)效應(yīng)的積累，絕緣表面會形成灰色粉末痕跡，這將徹底破壞絕緣性能，最終導(dǎo)致相間短路或?qū)Φ囟搪贰?/p>

根據(jù)對揚州地區(qū)變配電站運行故障的總結(jié)分析，電纜溝內(nèi)的濕凝結(jié)與開關(guān)柜絕緣性能下降有很大的相關(guān)性，因此消除電纜溝內(nèi)的濕凝結(jié)有利于防止因開關(guān)柜凝結(jié)而導(dǎo)致絕緣下降。

2凝結(jié)機(jī)理分析

根據(jù)空氣動力學(xué)理論，通過濕空氣的濕度圖分析冷凝機(jī)理(如圖2所示)。首先，介紹了濕度控制空氣的三個概念，即含水量、相對濕度和露點溫度。

濕空氣是指含有水蒸氣的空氣；含水量和相對濕度是表征潮濕空氣中水蒸氣含量的參數(shù)。含水量是每千克干燥空氣的水蒸氣含量，是水蒸氣含量的絕對值，在焓濕圖中以橫坐標(biāo)表示。

圖2潮濕空氣的濕度圖

相對濕度(RH)是濕空氣的絕對濕度(水分含量)與在相同溫度下可達(dá)到的最大絕對濕度(最大水分含量)之比，是空氣中水蒸氣含量的相對值。這是焓濕圖中的一系列拋物線。飽和空氣是指在一定溫度和壓力下，能容納最大量水蒸氣的潮濕空氣狀態(tài)，其相對濕度為100%，位于焓濕圖的底部。

露點溫度是指在水分和氣壓不變的情況下，空氣冷卻到飽和時的溫度。焓濕圖中對應(yīng)于100%相對濕度的縱坐標(biāo)溫度是對應(yīng)于含水量的狀態(tài)下的露點溫度。

如果被濕空氣接觸的物體的表面溫度低于空氣的露點溫度，則空氣將熱量傳遞給被接觸的物體，并且空氣的溫度下降，同時其相對濕度增加，并且物體的表面溫度上升。然而，兩者的上升速度是不同的。通常，空氣的熱容量較低，并且在吸收熱量后，冷卻速率高于固體物體的冷卻速率。當(dāng)空氣溫度下降到露點溫度時，它仍然高于物體的表面溫度，并且空氣溫度將繼續(xù)下降。這時，空氣中的水蒸氣將以液體形式從空氣中分離出來，從而在物體表面形成冷凝。

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)形成空氣凝結(jié)的條件是濕空氣(濕氣)和物體與空氣之間的溫差。如果這兩個條件都不滿足，冷凝就不會發(fā)生。

3防止冷凝的措施

根據(jù)冷凝的主要原因，從減少進(jìn)水和防止溫差兩個方面有效防止電纜溝內(nèi)產(chǎn)生冷凝。

3.1控制電纜溝和開關(guān)間的溫差

控制電纜溝中的空氣溫度和上部開關(guān)室中的空氣溫度之間的差異并減少冷凝的最直接的方法是有效地混合兩者的空氣。開關(guān)室的熱特性決定了開關(guān)室上部的空氣溫度高于開關(guān)室下部的空氣溫度。因此，開關(guān)室頂部溫度較高的空氣通過通風(fēng)設(shè)備送入電纜溝。與電纜溝內(nèi)的空氣混合后，空氣溫度升高，相對濕度降低，并通過出風(fēng)口再次排入開關(guān)室，使開關(guān)室內(nèi)的空氣溫度更加均勻，同時保持電纜溝干燥。

3.2保持開關(guān)室溫度均勻

室內(nèi)溫度場分布的均勻性主要取決于室內(nèi)氣流組織。保持合理的室內(nèi)氣流組織是保持室內(nèi)溫度均勻性的重要途徑。

為了有效控制室內(nèi)氣流組織，系統(tǒng)采用正壓送風(fēng)和自然或機(jī)械排風(fēng)的氣流組織。根據(jù)開關(guān)室電氣設(shè)備的加熱特性，較低溫度的空氣從開關(guān)室的下部送入。空氣沿著地面擴(kuò)散，擴(kuò)散到整個房間。達(dá)到開關(guān)柜后，它吸收開關(guān)柜的熱量，然后緩慢上升。在送風(fēng)設(shè)備的壓頭和開關(guān)設(shè)備的散熱所形成的熱壓的雙重作用下，送風(fēng)持續(xù)供給到開關(guān)柜的加熱點，而對于開關(guān)柜的非散熱點，設(shè)備加熱所產(chǎn)生的熱壓效果較小，因此到達(dá)該區(qū)域的送風(fēng)量較少，從而保證了開關(guān)柜之間環(huán)境空氣溫度的均勻性。

3.3保持開關(guān)柜內(nèi)外溫度均勻

為了防止開關(guān)柜內(nèi)的濕熱空氣積聚，應(yīng)保持開關(guān)柜內(nèi)外通風(fēng)順暢。現(xiàn)有部分開關(guān)柜沒有配備必要的通風(fēng)設(shè)備。潮濕的空氣一旦進(jìn)入，就很難及時有效地排出。隨著機(jī)柜內(nèi)外溫度的變化，有冷凝的危險。

當(dāng)制造開關(guān)柜時，應(yīng)根據(jù)開關(guān)柜中電氣設(shè)備的功能和防塵防潮的要求，設(shè)置合理的通風(fēng)設(shè)施。例如，預(yù)留的注氣孔應(yīng)由過濾器入口風(fēng)機(jī)定制和加壓，使柜內(nèi)空氣強(qiáng)制流動，以實現(xiàn)柜內(nèi)整個空間的干燥空氣循環(huán)，消除防潮死區(qū)。同時，通過噴嘴的角度設(shè)置，驅(qū)動空氣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動，提高除濕效率，空氣可以供應(yīng)到特定的狹窄部位，實現(xiàn)整個機(jī)柜的防潮和防結(jié)露。

4工程技術(shù)方案

4.1解決方案設(shè)計

基于上述分析結(jié)果，本文提出的系統(tǒng)方案如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)計思路:根據(jù)各自的參數(shù)和室內(nèi)溫濕度控制要求，將開關(guān)室上部區(qū)域的室內(nèi)空氣(必要時引入部分室外新風(fēng))按比例混合，然后通過環(huán)境控制設(shè)備(具有過濾、加壓、分配、加熱、降噪等功能)進(jìn)行處理和加壓。)，然后送入電纜溝。

圖3電纜溝入口開關(guān)柜室溫控制和防結(jié)露方案圖

進(jìn)入溝渠的空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體和地面對流換熱后，進(jìn)入溝渠的空氣溫度降低，而溝渠中的空氣溫度升高，從而降低溝渠中空氣的濕度；空氣的持續(xù)供應(yīng)增加了電纜溝的壓力，并通過電纜溝和開關(guān)室中的防火通風(fēng)口進(jìn)入開關(guān)室。與送入電纜溝的空氣溫度相比，開關(guān)柜下部的空氣溫度與開關(guān)室下部的空氣混合后趨于均勻。

隨著運行時間的延長，當(dāng)開關(guān)室上部的空氣狀態(tài)參數(shù)超過設(shè)定值時，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)回風(fēng)和新風(fēng)的比例，同時通過自然出風(fēng)口將上部的高溫濕熱空氣溢出房間。

4.2項目的實際運行效果

基于上述設(shè)計思想，將環(huán)境控制設(shè)備、排風(fēng)裝置和室內(nèi)溫濕度傳感器集成到一個智能系統(tǒng)平臺上，并固化在環(huán)境控制設(shè)備上。通過監(jiān)控配電室、電纜溝和室外大氣的狀態(tài)參數(shù)，可以自動調(diào)節(jié)新風(fēng)(室外進(jìn)風(fēng))和回風(fēng)(開關(guān)柜頂部區(qū)域空氣)的風(fēng)量，從而防止大量室外濕熱空氣的侵入，保持室內(nèi)干燥，完全防止結(jié)露。

為了檢查上述方案的實際運行效果，在揚州110千伏、220千伏電纜溝進(jìn)線變電站高壓開關(guān)柜的房間安裝了上述溫控防結(jié)露裝置，如圖4所示。

圖4 開關(guān)柜帶有溫度控制和防冷凝裝置的房間

為了測試運行效果，在系統(tǒng)啟動前后對電纜溝和開關(guān)室的運行參數(shù)進(jìn)行了測試。比較結(jié)果如表1所示。

表1系統(tǒng)應(yīng)用前后的溫度和濕度對比

表1中的數(shù)據(jù)表明，安裝溫控防結(jié)露裝置后，通過溫控防結(jié)露裝置中電加熱器的運行時間，可以降低電纜溝內(nèi)空氣的相對濕度，促進(jìn)開關(guān)室和電纜溝內(nèi)的溫度和濕度平衡，減少電纜溝內(nèi)的濕氣通過電纜連接孔進(jìn)入開關(guān)柜，從而防止開關(guān)柜內(nèi)電氣元件表面的閃絡(luò)現(xiàn)象。系統(tǒng)運行后電纜溝蓋板的凝結(jié)如圖5所示。與圖1相比，可以發(fā)現(xiàn)電纜溝蓋板背面的冷凝完全消除。

圖5電纜溝蓋板背面的冷凝(操作后)

電纜溝進(jìn)線開關(guān)室安裝溫控防結(jié)露裝置后，除了上述溫度和濕度參數(shù)得到精確控制外，系統(tǒng)帶來的附加效果表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)有效防止室外濕熱空氣的侵入。當(dāng)室外空氣處于高熱高濕狀態(tài)時，溫控防結(jié)露裝置通過減少或關(guān)閉新鮮空氣入口，利用大比例的回風(fēng)或短期全回風(fēng)系統(tǒng)運行，防止?jié)駸峥諝膺M(jìn)入和結(jié)露現(xiàn)象。

2)系統(tǒng)運行能耗顯著降低。夏季，利用電纜溝的自然冷卻能力來冷卻室內(nèi)空氣，消除開關(guān)柜體的散熱，從而降低空調(diào)冷卻所需的能耗。

3)減少房間變電站開關(guān)柜的操作和維護(hù)工作量。由于開關(guān)柜房間保持微正壓狀態(tài)，有效控制和處理了室外空氣的進(jìn)入，隨著室外空氣進(jìn)入房間的灰塵量也大大減少，減少了開關(guān)站地面和開關(guān)柜表面灰塵積聚的可能性，從而防止灰塵積聚引起的閃絡(luò)，減少了運行維護(hù)工作量。

結(jié)論

通過對高壓開關(guān)柜運行故障的分析，發(fā)現(xiàn)濕凝結(jié)是導(dǎo)致開關(guān)柜故障的重要因素，濕電纜溝是導(dǎo)致開關(guān)柜故障的主要原因。

本文提出的工程技術(shù)方案，通過減小電纜溝與+0房間的溫濕度差，消除電纜溝的結(jié)露，達(dá)到了預(yù)期的效果。通過工程實踐，可以有效防止開關(guān)柜凝結(jié)的發(fā)生，降低開關(guān)柜因運行環(huán)境而失效的概率，從而為變配電站的安全穩(wěn)定運行創(chuàng)造條件。