- 頭條防止開關柜內部凝露的有效方法2021-02-16 作者：李元 薛建議 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語開關柜內部的溫度、濕度劇烈變化將會導致凝露現象的發生，危害電力設備的安全可靠運行。西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室、國網陜西省電力公司電力科學研究院的研究人員李元、薛建議、任雙贊、劉晶、張冠軍，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文，計算了40.5kV鎧裝型移開式戶內交流金屬封閉開關設備內部的溫濕度分布，研究了開關柜內部凝露形成過程，以及凝露容易發生的位置，并研究了防止開關柜內部凝露的方法。
高壓開關柜作為電能分配設備在電網運行中起著非常重要的作用，而開關柜的絕緣能力是開關柜能否安全穩定運行的重要因素。高壓開關柜的絕緣能力除了本身的設計、材料和質量因素外，柜內運行環境的溫度、濕度和凝露等惡劣環境因素引起的開關柜絕緣事故屢有發生。
開關柜長期運行經驗表明，柜內凝露的產生會導致內部絕緣性能下降，各類絕緣缺陷會逐漸發展為擊穿，釀成事故，對區域電力系統的穩定性有重要影響。因此，解決開關柜凝露對開關柜安全運行及電網穩定十分重要。
當前，高壓開關柜的結構日趨小型化，內部結構緊湊、帶電體的相間及對地距離縮小，因此對環境因素等要求相對較高。由于制造、運行環境等原因，現有開關柜多采用底板開通風口，后板和頂板密封的設計，加上運行條件差，電纜溝內部積水嚴重而且通風不暢，特別是在相對濕度較大的沿海省份，溫度較高時水汽會上升至母線室而無法排出，溫度降低時容易在金屬和絕緣材料表面出現凝露進而導致爬電現象的發生。
在高濕度環境中，空氣介質的絕緣性能大大下降，同時高壓電極在高濕度環境中非常容易發生局部放電；固體絕緣材料在高濕度環境下，其絕緣性能發生很大變化，在局部放電影響下，固體絕緣材料的老化容易加速，而固體絕緣材料的電老化和環境老化通常是不可逆的。
放電產生的高能量會使空氣中的氧氣被電離產生臭氧，其溶于水后具有很強的氧化性，從而加速絕緣材料的老化，使放電區域擴散。這一過程又會產生更多的臭氧，形成一個惡性循環。當材料的絕緣性能下降到一定程度時就會形成短路，最終導致事故發生。因此，開關柜長期在高濕度、高污染環境中運行存在很大的絕緣故障隱患。
凝露的危害主要體現在開關柜內部電力設備的箱體內，如端子箱、開關機構箱等。氣溫降低且濕度較大時極易在箱體內部形成凝露，形成的水珠會附著在其內部的金屬和塑料部分上，對設備造成的危害主要有以下幾點：
（1）在端子箱。機構箱內二次接線端子排上形成的露水對端子排上的金屬導電部位造成腐蝕，腐蝕較重或混入灰塵等其他雜質后易造成交直流短路接地，直流接地對開關柜的穩定運行造成了極大的危害。實際運行經驗表明，直流接地多是有水附著在帶電部位上造成的，而且更嚴重的凝露會造成端子排上兩根二次線之間的短接，如果恰好是開關跳閘回路則會立即引起開關誤動作，造成停電事故。
（2）在開關或刀開關操動機構上形成的凝露會腐蝕機構內的金屬部件，影響機構的使用壽命，甚至因銹蝕而造成機構卡澀，導致接地開關或隔離開關在分合時機構不能運行到位，如果因此使得開關動靜觸頭慢分慢合，則會釀成極大的電力事故，尤其是開關久未操作時銹蝕現象會更加嚴重。
（3）開關柜一般更注重通風，所以室內溫度、濕度受室外環境影響較大，而柜內絕緣子多沒考慮防水性，在其上有凝露的話會降低其絕緣性，甚至可能導致爬電或閃絡現象，嚴重影響設備正常運行。尤其是有的設備處于停運狀態，其內部溫度更低，更易在其表面形成凝露，此時一旦送電，將極易發生事故。
目前的仿真分析中，僅僅關注開關柜內部的溫度分布，對于開關柜內溫度、濕度耦合計算的數值模擬研究關注較少。
為了明確開關柜內部凝露的形成過程，西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室、國網陜西省電力公司電力科學研究院的研究人員采用COMSOL Multiphysics軟件建立了三維高壓開關柜電磁場-溫度場-濕度場耦合計算模型，計算了開關柜在導體正常工作流過大電流時內部元件的溫度分布，同時仿真研究開關柜在外界環境相對濕度為0.8時的濕氣擴散過程，得到開關柜內部元件的相對濕度分布。
圖1 開關柜三維仿真模型
圖2 開關柜內部溫度分布
圖5 增加加熱裝置后開關柜內部溫度分布
仿真結果表明，斷路器觸頭盒表面溫度較低，濕度分布較高時，極易發生凝露。此外，通過仿真分析發現采用加熱和通風裝置可以有效降低觸頭盒的表面濕度，提高觸頭盒表面溫度，是一種可以減少開關柜內部元件凝露發生的有效方法。加熱和通風裝置的最優布置方式為同時安裝在靠近觸頭盒和套管的開關柜柜壁上，對于降低觸頭盒表面凝露的效果優于設置單一的加熱或通風裝置。
圖6 選取的觸頭盒和套管表面
圖9 增加通風裝置后開關柜內部相對濕度分布
研究人員最后得到以下結論：
- 1）開關柜內部的母排溫度升高最快，三相觸頭盒溫度分布不均勻，遠離隔板的觸頭盒溫度升高（最高為308K）均低于靠近隔板的觸頭盒溫度升高（最高為318K），主要是由于遠離隔板的觸頭盒與空氣接觸面積大，易于散熱。
- 2）絕緣材料的吸濕要快于金屬材料，觸頭盒因其局部的中空結構不易排濕，因此其表面相對濕度更高，更容易形成凝露。
- 3）增加通風裝置可以有效地降低觸頭盒表面的相對濕度；局部增加加熱裝置可以有效提高觸頭盒表面的溫度，二者配合可以大大降低觸頭盒發生凝露的概率。
- 4）加熱裝置和通風裝置的最優安裝位置均為同時靠近觸頭盒和套管的開關柜柜壁上，對于降低觸頭盒表面凝露的效果優于設置單一的加熱或通風裝置。
以上研究成果發表在2019年第24期《電工技術學報》，論文標題為“高壓開關柜溫濕度分布的三維數值模擬研究”，作者為李元、薛建議、任雙贊、劉晶、張冠軍。
