隨著經濟發展和城市建設的不斷推進，城市用電負荷密度的增加和城市建設用地面積的下降，越來越多的城市供配電設施從地面轉向地下，給供配電設施的運行維護增加了難度；隨著互聯網+技術的發展，智能變配電站的建設對變配電站運行環境的控制也提出了要求。

本文基于解決長江流域及以南地區地下變配電站運行過程中在開關柜和室內出現的空氣凝露問題，系統地構建城市地下變配電站低能耗智能環境控制解決方案，為變配電站提供安全穩定的運行環境。

1 地下變配電站環境運行現狀分析

現有的城市地下變配電站運行的環境控制，一般采用的是機械通風、空調降溫、除濕機等方式，滿足變配電站全年大部分時段的要求，但對于某些特殊時段，由于室外氣候的突變（主要指空氣溫度、濕度以及含塵濃度的變化），會引起電氣元器件或開關柜結構件上產生凝露、灰塵積聚，導致變配電站運行發生故障（表現為短路、污閃等）。

根據某供電公司提供的轄區內發生的變配電站故障現象，可分為以下兩類。

1）開關柜內斷路器手車內部凝露引起接地短路故障，如圖1所示。

圖1 斷路器手車故障現象

2）母線內部凝露引起接地短路故障，如圖2所示。

圖2 母線內部結露引起短路的現象

這些開關柜柜門因凝露出現白色鹽化印記（如圖3所示），開關觸頭銅綠現象嚴重。

運行維護部門從以下幾個方面對故障現象進行了分析。

1）電氣柜結構方面。上述發生凝露的開關柜，配置的是10kV中置手車式金屬鎧裝開關柜和10kV環網柜。開關柜頂部均采用的是密封封板，沒有透氣孔，導致濕氣一旦進入柜內，將不能有效跑出去。

圖3 開關柜柜門白色鹽化現象

2）絕緣方式及除濕功能方面。10kV中置手車式金屬鎧裝開關柜為空氣絕緣方式，電纜室及斷路器配加熱器；SM6型10kV環網柜除三位置閘刀氣包為SF6氣體絕緣，其他都采用空氣絕緣，只有電纜倉配加熱器。

3）運行環境方面。故障及發現隱患的開關柜、環網柜都安裝在電纜溝布置的電站中，其中好幾座站靠近河道，站內總體環境濕度較大。

根據以上分析，初步的結論如下：變配電站采用電纜溝或地下電纜夾層的結構形式，柜子下方濕度大，濕氣進入開關柜、環網柜電纜倉后加熱器工作，將濕氣往上部送，由于開關柜、環網柜內部沒有透氣孔，濕氣在往上跑的過程中碰到開關室、母線室等金屬頂板及其他絕緣件外表，冷熱差使得水汽凝露，造成柜內絕緣降低及導電部分對絕緣件放電，設備長期運行，造成凝露部位的絕緣件老化，絕緣性能降低。

根據上述分析，相關部門提出了初步整改意見，主要包括：在開關柜泄壓通道頂部應有透氣孔；對母線室連接絕緣件進行加強；加裝除濕器（上海某供電公司有145個開關站的開關室安裝了除濕器）；土建增加除濕系統，提高環境控制標準，由出資單位增加部分費用。

上述解決方案，對減少因凝露引發的停電跳閘事故有一定的改善作用，但并不能從根本上杜絕凝露現象的出現，相應地導致了變電站運行能耗和運行維護工作量的增加，對地下雙層結構變配電站的運行環境和控制水平沒有太大的改善。

2 凝露機理分析

地下雙層結構變配電站（在電纜層/電纜溝布置開關室）故障頻發的主要原因是凝露，在解決此問題前，必須認清凝露的機理，破壞凝露發生的條件，才能從根本上杜絕凝露現象的出現。

2.1 空氣凝露的機理

根據空氣動力學理論，借助濕空氣焓濕圖（如圖4所示），分析凝露的機理。

圖4 濕空氣焓濕圖

在焓濕圖中，橫坐標表示濕空氣的焓濕量，即每千克干空氣中水蒸汽的含量，是濕空氣中水分含量的絕對值；縱坐標表示濕空氣的溫度；在焓濕圖中一系列拋物線表示等相對濕度線，相對濕度是表示濕空氣的絕對濕度（焓濕量）與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度（最大焓濕量）之比，是表示空氣中水蒸汽含量相對值，用百分數表示。

飽和空氣是指一定溫度和壓力下，能夠容納最大限度水蒸汽的濕空氣狀態，其相對濕度為100%，在焓濕圖中拋物線族中最下方；露點溫度是指在焓濕量和氣壓都不改變的條件下，將濕空氣冷卻到飽和時的溫度，在焓濕圖中與相對濕度100%對應的縱坐標溫度即為該焓濕量對應狀態下的露點溫度。

在現實環境中，如果濕空氣接觸的物體表面溫度低于該空氣的溫度，空氣將熱量傳遞給接觸的物體，空氣溫度下降，同時其相對濕度提高，物體表面溫度升高，但兩者升高速率不一樣。一般情況下，空氣熱容量低，降溫速度一般大于固體物體吸熱后的升溫速度，當空氣溫度降至露點溫度時，如果仍高于物體表面溫度，空氣溫度將繼續下降，此時空氣中的水蒸汽將從空氣中以液態形式析出，在物體表面形成水滴，形成凝露。

通過上述分析可以發現，形成空氣凝露的條件是濕空氣（水分）、開關元器件與周圍空氣的溫差。

2.2 濕空氣（水分）進入開關柜室途徑

對于地下雙層或多層結構的變配電站，濕空氣（水分）進入室內的途徑有兩種：①通過通風系統，室外的潮濕空氣經通風系統的進風裝置系統進入室內；②通過電纜溝、地下室圍護結構墻體滲入，被吹掠表面的空氣帶進室內。

1）室外熱濕空氣的入侵

常規的通風系統一般采用自然或機械進風、機械排風的通風方式，排除室內電氣設備散發的熱量。由于常規的通風系統一般均缺乏溫濕度聯鎖控制系統，通風系統的起停控制均由運行人員手動操作控制，即使采用自動控制，較多地設定室內溫度值，控制通風系統的起停。在梅雨季節或潮濕天氣，通風系統起動時，大量的室外熱濕空氣經進風系統進入室內。

2）電纜溝或地下室圍護結構表面水分蒸發

由于地下室墻體及電纜溝與大地直接接觸，大地中的水分會通過電纜溝壁或墻體滲透至表面，當電纜溝內或地下室內有一定的空氣流通時，這些水分將被蒸發進入電纜溝或地下空間內；當空氣流通不足時，這些水分將停留在電纜溝壁或墻壁的表面，形成水珠或水膜。

根據規范，電纜穿越溝蓋板與開關柜內部接線端子線路時，應采用防火膠泥封堵，但隨著運行時間的推移，防火膠泥因電纜的熱脹冷縮產生裂縫，電纜溝內的潮濕空氣通過這些裂縫慢慢滲入至開關柜內；而當開關柜內的電加熱器起動時，柜內溫度升高，使柜內側的防火膠泥變干，與電纜溝側的防火膠泥間形成濕度差，水分就源源不斷地從電纜溝內進入開關柜內。

2.3 開關柜元器件與周圍空氣的溫差

當開關元器件的表面溫度低于周圍空氣的露點溫度時，凝露就出現在這些元器件的表面。溫差的形成包括：元器件溫度降低、周圍空氣溫度升高，或兩者同時出現。

1）開關柜元器件溫度降低

一般情況下，開關柜及其元器件的溫度與柜內柜外的空氣溫度相關，在開關柜工作狀態下，由于電流的通過，一般溫度不會下降，但由于運行過程中周圍環境的作用，可能導致開關元器件或開關柜表面溫度的變化速度低于空氣的變化速度，結果是相對于空氣溫度，開關柜元器件或結構件的溫度降低了。

如現在在開關室內大量使用的柜式空調機，自帶的溫控器依據回風口處的溫度控制其起停或調頻，改變空調運行功率，由于開關柜內工藝設備布置的局限，使得柜式空調設備出風口往往難以有效擴散，有時直接吹到開關柜的表面，而柜式空調的出風溫度一般較回風溫度有10℃以上的溫差，在長時間的作用下，被直吹的開關柜表面溫度降低，由于開關柜本體具有良好的導熱性能，將導致開關柜內部構架溫度同時降低。

開關柜門板內部的白點大多數均是由于壁板溫差引起的凝露造成的。還有一種情形，安裝在電纜溝上的開關柜，柜體內電氣元件處于備用狀態（未通電），夏季早晚溫差較大時，柜內空氣的升溫速度低于柜外空氣升溫速度，也可能使該柜體構架溫度明顯低于室內空氣溫度。

2）周圍空氣溫度升高

為了降低空氣的相對濕度，增加空氣的容濕能力，在許多開關柜內布置了電加熱器。電加熱器投入運行后，柜內空氣溫度升高，降低了柜內空氣的相對濕度，但與此同時，也增加了經電纜夾層墻壁或電纜溝壁水分蒸發量，使得室內空氣中總焓濕量增加。

另一種情形則是，為了保持地下開關室內的空氣品質（含氧量），大量室外熱濕空氣通過通風系統的進風裝置進入室內，由于地下圍護結構的熱惰性（遲滯效應），也會導致室內溫度的迅速上升；第三種情形則是因某種故障造成開關接觸電阻增加，引起開關柜工作時產生熱量積聚，引起空氣溫度升高。

3 防止凝露發生的措施

根據凝露產生的機理，可以從減少水分進入、防止溫差產生這兩個方面，有效阻止地下開關站凝露的產生。

3.1 有效控制室外熱濕空氣進入

通過對室外空氣的溫濕度進行監測，當室外的濕空氣焓濕量（相對濕度）升高時，應逐步減少室外空氣的進入量，直至關閉室外進風，此時，通過空調降溫系統，維持室內溫度。為了實現有效控制，必須將傳統的自然進風改為有組織的機械進風，通過對機械進風裝置的控制，實現對進風量的控制。

3.2 控制溫差

既然凝露是由溫差引起的，消除室內溫差，特別是開關柜內空氣溫度與電氣或柜體結件間的溫差，是防止凝露產生的重要途徑。

1）維持開關室內的溫度均勻（公式略）

室內溫度場分布的均勻性主要取決于室內的氣流組織，維持室內合理的氣流組織是維持室內溫度均勻的重要途徑。

現有的地下開關室采用通風空調系統來維持室內溫度。通風系統采用自然進風或機械進風、機械排風，由于室外空氣中的灰塵隨著新風進入室內，隨著運行時間的增加，在開關室地面、開關柜表面和開關柜內部都存在灰塵積聚的問題，增加了運維工作量，為此安裝柜式空調機，循環冷卻室內空氣，帶走設備散熱量，維持室內溫度。

無論是機械通風系統還是柜式空調降溫系統，均沒有結合開關室的布置特點設置合理的氣流組織，僅僅是根據熱量平衡的原則，進行通風量和空調設備容量的計算和設備選型。由于沒有合理的氣流組織，使得室內溫度不均，導致局部地點因熱空氣無法擴散，氣溫上升，而某些地點因處在送風口或其影響區域范圍內，溫度偏低。

為了有效控制室內的氣流組織，采用正壓送風、自然或機械排風的氣流組織。

根據公式計算，采用機械送風方式更有利于控制室內的氣流組織。

根據開關室的電氣設備發熱特性，我們引用熱置換通風的原理，從房間下部送入較低溫度的空氣，這些空氣沿地面擴散，蔓延至整個房間，到達開關柜后，吸收開關柜的熱量后緩慢上升，在送風設備的壓頭與開關設備散熱形成的熱壓雙重作用下，送風源源不斷地補充到發熱的開關柜處，而沒有散熱的開關柜因少了設備發熱引起的熱壓作用，送風達到該區域的量就較少，從而保證了開關柜間周圍空氣溫度均勻性。

為了實現這樣的氣流組織，需要對傳統的柜式空調機或上分設備進行改造。因為傳統的柜式空調機是為人員舒適性服務的，一般采用前下回風，前上出風，以避免出風口對著人員高度直吹而產生不適，但用于變配電站開關室降溫時，這種方式將導致室內氣流組織的混亂，熱空氣位于開關柜頂部區域，理想的回風方式應是從開關柜頂部上方回風，送至開關室地面，這樣空調機、開關柜之間形成一個空氣循環，不僅有效地排除開關柜散發的熱量，也能因回風溫度的升高有效地提高空調設備的能效。

2）控制電纜溝/電纜夾層與開關室的溫度差

對于電纜溝/電纜夾層進線的開關室，應控制電纜溝/電纜夾層與開關室的溫差，以減少凝露的發生。最直接的辦法就是將二者的空氣進行有效的混合。由于開關室的熱特性，決定了開關室上部的溫度要高于開關室下部的溫度，因此將開關室柜頂上部溫度相對較高的空氣通過通風設備送入電纜溝/電纜夾層內，與電纜相/電纜夾層的空氣混合后，空氣溫度升高，相對濕度下降，并通過排風口再次進入開關室，保持電纜溝/電纜夾層干燥的同時，也使開關室內的空氣溫度更趨均勻。

3）維持開關柜內外的溫度均勻

為了防止熱濕空氣在開關柜內積聚，應保持開關柜內外的空氣流通。現有部分開關柜本體沒有設置必要的通風裝置，一旦有潮濕空氣進入（如柜門開啟），難以有效及時排出，將會有隨著柜體的溫度變化而產生凝露的危險。

因此建議開關柜箱體生產商應根據柜內電氣設備的功能和防塵、防潮的要求，設置合理的通風設施，包括但不限于：柜體下部、上部開設進、排風百葉；柜體下部設置百葉，上部設置溫控排風機；下部設置過濾進風機，上部開設散熱通風口。

現有采用電加熱器的防凝露措施，只能通過提高空氣溫度，降低空氣的相對濕度，并不能將變配電間內多余的水分排除，水分的排除還是有賴于通風系統或除濕機的運行，但電熱器的運行，加大了柜內空氣與柜體的溫差，增加了潛在的凝露風險。

3.3 加強地下結構的防水措施

為減少地下結構內水汽的產生，除了防止室外大量熱濕空氣的入侵外，做好地下圍護結構或電纜溝壁的防水隔潮也是重要措施之一。包括兩個方面：①及時完善地下室的防潮隔水層，防止地下水或土壤中的水分通過電纜溝或墻體滲透進室內；②對于已經進入電纜溝或電纜夾層的水分及時排除，防止其緩慢蒸發進入室內，對開關柜等電氣設備產生潛在危害。

4 工程解決方案

根據上述分析結果，本文研發出地下雙層結構站智能環境控制系統。該系統基于空氣動力學、流體力學及傳熱學的基本概念，通過置換、誘導及變風量等復合通風方式和智能控制，實現在可控弱氣流作用下的穩態對流換熱，建立散熱體與周圍空氣的動態熱平衡，形成良好的室內氣流組織，維持室內的溫度均勻性（平面）和溫度梯度（垂直面），提高通風排熱效率；同時由于采用弱氣流方式，降低了氣流強度，從而降低系統運行能耗、噪聲，也為空氣凈化、品質控制等多元功能的實現提供必要條件。

雙層布置的地下變配電站負一層為設備層，是環境控制的重點區域，負二層為電纜層，其環境控制的要求相對可以低一些。為此，我們提出的系統方案如圖5所示。

圖5 系統方案圖

該系統設計思路：將開關室上部區域的室內空氣和室外新風根據各自參數和室內溫、濕度控制要求，按比例混合后經環境控制設備（具有過濾、加壓、分配、加熱、降噪等功能）處理加壓后，根據開關柜室和電纜夾層的溫濕度參數，按比例分別送入電纜夾層和開關室底部。

在電纜夾層內，進入室內的空氣與圍護結構墻體、地面進行對流換熱后，送入的空氣溫度降低，而夾層的溫度升高，達到降低二層空氣濕度的目的；源源不斷送入的空氣使電纜夾層的壓力上升，通過在電纜夾層與開關室開設的防火通風口進入開關室，與直接送入開關室的空氣一起，吸收開關柜的熱量，維持室內的溫度均勻。

隨著運行時間的延長，開關室上部空氣狀態參數超過設定值時，系統自動調整回風和新風比例，同時控制排風機起動，將上部高溫的熱濕空氣排出室外。

為了實現上述設計思路，我們將環境控制設備、排風裝置等與室內溫濕度傳感器集成在一個智能系統平臺，并固化在環境控制設備上。通過監測開關室、電纜層和室外大氣的狀態參數，自動調整新風（室外進風）、回風（開關柜頂部區域空氣）和排風（開關室頂部的熱濕空氣）的風量，從而阻止室外大量熱濕空氣的侵入，保持室內干燥，徹底杜絕凝露的產生。

5 實際運行效果

上海某地下雙層布置的變電站，下層（負二層）為電纜層，層高2.5m，上層（負一層）為設備層，層高5m。單層面積約180m2。配置有800kVA配電變壓器兩臺，高低壓配電柜、開關柜17個，電容器柜兩個。總發熱量28kW左右。

由于設備高度大多在2m左右，故將工作區高度設為2.5m（熱力分層最低高度）。2.5m以上區域可以不作考慮。工作區溫度兼顧設備運行需要和短期有人工作的舒適度需要設定為25℃～30℃（在 20℃～35℃范圍內均可調）。

工程投運后，經第三方權威部門檢測，各項指標均符合設計要求。其中工作區溫度在25℃±2℃范圍內，濕度＜85%，1.5m水平方向溫度梯度最大值＜0.7℃，達到甚至超過預期效果。

除了上述溫濕度參數得到準確控制外，該系統帶來的附加效應還表現在以下幾個方面：

• 1）有效阻止室外熱濕空氣的侵入。當室外空氣處于高熱高濕狀態時，智能環境控制系統通過減少或關閉新風進風口，采用大比例回風或短時全回風系統運行，阻止熱濕空氣進入，防止凝露現象出現。
• 2）系統運行能耗顯著下降。由于充分利用地下空間冬暖夏涼的特性，將室外空氣送入電纜夾層，可對室外空氣進行預冷，減少了空調冷卻所需能耗。
• 3）減少變配電站開關室的運行維護工作量。由于室外空氣的進入得到有效地控制和處理，隨室外空氣進入室內的灰塵量大大減少，開關站地面和開關柜表面積灰的可能性下降，既能預防因灰塵積聚產生的污閃，也減輕了運行維護工作量。
• 4）改善了電纜層的空氣品質。由于將開關室上部的干熱空氣送入電纜夾層，加強了電纜層空氣流通的同時，降低了電纜層內的空氣相對濕度，減小了電纜層與開關室內空氣的溫差，從而有效地防止了凝露的產生。

結論

本文在現有的地下二層結構變配電站運行故障分析的基礎上，根據對凝露機理的分析，總結出布置在電纜層上的開關柜室產生凝露的主要因素是外部水分的進入和室內溫差的出現，從防止水分進入和消除溫差兩個方面，提出了防止開關室凝露產生的主要措施，并提出了采用以可控弱氣流通風技術為核心，結合溫濕度傳感器、控制風閥、空氣處理設備等，構建智能控制系統，形成變電站智能環境控制系統。

通過在工程中的應用，表明該系統可以有效地控制開關室內的溫度和濕度參數，消除凝露產生的因素，降低開關柜因凝露發生故障的風險，環境控制系統運行能耗顯著下降，室內空氣品質得到有效控制，變配電站的運行環境得到有效改善，維護工作量顯著降低，環境控制的智能化水平得到提高。