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(lái)越多的城市變配電設(shè)施從戶外轉(zhuǎn)向室內(nèi)，電力輸送線路也從架空敷設(shè)轉(zhuǎn)向地下電纜溝敷設(shè)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有變配電站高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行故障分類分析發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)空氣凝露是引起絕緣強(qiáng)度下降、引發(fā)開(kāi)關(guān)柜故障的主要因素之一。

本文通過(guò)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)空氣凝露原因的分析，提出了通過(guò)消除開(kāi)關(guān)柜室與電纜溝內(nèi)空氣溫、濕度差的技術(shù)方案，解決電纜溝內(nèi)的凝露問(wèn)題，從而保證高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)不出現(xiàn)因凝露而產(chǎn)生的閃絡(luò)，防止運(yùn)行故障的發(fā)生。

1 高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行環(huán)境現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有變電站開(kāi)關(guān)室采用的是機(jī)械通風(fēng)、空調(diào)降溫、除濕機(jī)等方式，滿足變電站全年大部分時(shí)段的要求。但對(duì)于某些特殊時(shí)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(huì)引起電纜溝（如圖1所示）和開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電氣元器件或電氣盤柜結(jié)構(gòu)件上產(chǎn)生凝露，造成設(shè)備的絕緣性能大幅度降低，乃至擊穿，引起設(shè)備銹蝕，加速設(shè)備老化，同時(shí)還可能產(chǎn)生局部放電，損壞元器件，使設(shè)備更容易發(fā)生故障，增加修理的成本，降低電網(wǎng)安全運(yùn)行概率等。

圖1 電纜溝蓋板凝露現(xiàn)象

1.1 揚(yáng)州地區(qū)氣候特征

因揚(yáng)州地處江蘇省中部、長(zhǎng)江與京杭大運(yùn)河交匯處、水系發(fā)達(dá)，位于河流周邊或地處低洼地帶的變電站的土壤及空氣中水分相對(duì)含量較高。同時(shí)，揚(yáng)州屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，夏季具有江南梅雨氣候，存在于外界空氣中的水蒸氣慢慢滲入設(shè)備內(nèi)，導(dǎo)致電纜溝、開(kāi)關(guān)柜中的水蒸氣含濕量逐漸上升，極易產(chǎn)生凝露。

1.2 開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行環(huán)境特征

1）開(kāi)關(guān)柜進(jìn)線電纜溝

采用電纜溝進(jìn)線、開(kāi)關(guān)柜地面布置方式，開(kāi)關(guān)柜室與室外大氣相通，室內(nèi)外溫差變化較大。而電纜溝處在地下，其內(nèi)部的溫度則更多受土壤溫度影響而變化較小。但因電纜溝的溝底、溝壁水分滲透蒸發(fā)，溝內(nèi)的空氣相對(duì)濕度較大，其露點(diǎn)溫度與溝內(nèi)空氣溫度差較小，通常在9℃～12℃。

冬季當(dāng)開(kāi)關(guān)室內(nèi)的溫度低于10℃時(shí)，電纜溝內(nèi)的潮濕空氣將在電纜溝蓋板內(nèi)側(cè)及開(kāi)關(guān)柜底板形成凝露；夏季當(dāng)室外潮濕空氣進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度升高，當(dāng)其超過(guò)電纜溝蓋板溫度時(shí)，室內(nèi)空氣將在電纜溝蓋板上表面結(jié)露。

2）開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)分析

《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》12.3.2.2中規(guī)定，為防止開(kāi)關(guān)柜火災(zāi)蔓延，在開(kāi)關(guān)柜的柜間、母線室之間及與本柜其它功能隔室之間應(yīng)采取有效的封堵隔離措施。因開(kāi)關(guān)柜本身就缺少空氣流通條件，導(dǎo)致進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部的水蒸氣不能自行排出，夜晚當(dāng)金屬壁板溫度低于空氣露點(diǎn)溫度的時(shí)候，就產(chǎn)生了凝露，而白天凝露蒸發(fā)后變成水汽，濕空氣又長(zhǎng)期積聚，凝露將反復(fù)出現(xiàn)。

《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》12.3.1.6中規(guī)定應(yīng)在開(kāi)關(guān)柜配電室配置通風(fēng)、除濕防潮設(shè)備，防止凝露導(dǎo)致絕緣事故。常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)柜溫濕度控制器裝于開(kāi)關(guān)柜的上柜門面板上，溫濕度傳感器嵌入控制器內(nèi)，加熱器安裝于開(kāi)關(guān)柜后柜側(cè)壁上，無(wú)法根據(jù)溫濕度有效起控加熱器。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)外的空氣溫差較大時(shí)易在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)引起凝露。

3）開(kāi)關(guān)柜室環(huán)境分析

常規(guī)的開(kāi)關(guān)柜室通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，室外空氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)百葉或門窗縫隙等進(jìn)入室內(nèi)，吸收室內(nèi)開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備散發(fā)的熱量后，經(jīng)風(fēng)機(jī)排出室外。因缺乏溫濕度聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)的起?？刂菩柽\(yùn)維人員手動(dòng)操作，且揚(yáng)州地區(qū)濕度較高，春秋季節(jié)尤其是雨季空氣濕度大，冷熱交替變換頻繁，高濕空氣無(wú)法經(jīng)通風(fēng)系統(tǒng)有效排出，使得開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期處于高濕環(huán)境。

1.3 凝露對(duì)開(kāi)關(guān)柜的影響分析

1）對(duì)空氣絕緣的影響

研究表明，當(dāng)溫度保持不變，球間隙放電電壓在80%RH以下低濕條件下，隨著相對(duì)濕度的增加逐漸增加；在80%RH以上高濕條件下，隨著相對(duì)濕度的增加逐漸減小，高濕并不會(huì)造成放電電壓嚴(yán)重降低。因此，空氣相對(duì)濕度小于95%RH時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)柜的空氣絕緣沒(méi)有顯著的影響，但有凝露時(shí)，球間隙放電電壓幾乎降為正常值的一半。

2）對(duì)導(dǎo)體的影響

大量的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)絕緣故障分析發(fā)現(xiàn)，故障開(kāi)關(guān)柜有大量斷路器手車觸頭及母排氧化現(xiàn)象，是潮濕空氣腐蝕作用的結(jié)果。斷路器手車的動(dòng)靜觸頭氧化后，一方面會(huì)有粉狀氧化物落在觸頭盒內(nèi)，降低爬電距離；另一方面加大動(dòng)靜觸頭之間的接觸電阻，易發(fā)生熱故障，發(fā)熱后絕緣材料受熱分解，絕緣性能下降。

3）對(duì)絕緣材料的影響

開(kāi)關(guān)柜的絕緣件有絕緣支柱、母線套管和觸頭盒3種，通常采用環(huán)氧樹(shù)脂壓鑄而成。在潮濕環(huán)境下，由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)基團(tuán)極性及吸水性，容易與水分子結(jié)合形成氫鍵，使導(dǎo)電性增加，表面電阻率和體積電阻率降低。

凝露會(huì)在絕緣材料表面形成結(jié)晶水，當(dāng)空氣中粉塵溶解于結(jié)晶水后，由于局部電子的快速運(yùn)動(dòng)和結(jié)合，會(huì)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。隨著不斷分解效應(yīng)和閃絡(luò)效應(yīng)的累積，絕緣表面會(huì)形成灰白色的粉末印痕徹底破壞絕緣性能，并最終導(dǎo)致設(shè)備相間或?qū)Φ囟搪贰?/p>

根據(jù)對(duì)揚(yáng)州地區(qū)的變配電站運(yùn)行故障的匯總分析，電纜溝內(nèi)潮濕凝露與開(kāi)關(guān)柜絕緣性能下降的相關(guān)性較大，因此消除電纜溝內(nèi)的潮濕凝露有利于防止開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)凝露引起絕緣下降。

2 凝露機(jī)理分析

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論，借助濕空氣焓濕圖（如圖2所示），分析凝露的機(jī)理。首先介紹關(guān)濕空氣的3個(gè)概念，即含濕量、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度。

濕空氣是指含有水蒸氣的空氣；含濕量和相對(duì)濕度均是表征濕空氣中水蒸氣含量的參數(shù)，含濕量是表示每千克干空氣中水蒸氣的含量，是表示水蒸氣含量的絕對(duì)值，在焓濕圖中為橫坐標(biāo)表示。

圖2 濕空氣的焓濕圖

相對(duì)濕度（RH）是表示濕空氣的絕對(duì)濕度（含濕量）與相同溫度下可能達(dá)到的最大絕對(duì)濕度（最大含濕量）之比，是表示空氣中水蒸氣含量相對(duì)值，在焓濕圖中為一系列拋物線。飽和空氣是指一定溫度和壓力下，能夠容納最大限度水蒸氣的濕空氣狀態(tài)，其相對(duì)濕度為100%，在焓濕圖中位于最下方。

露點(diǎn)溫度是指將空氣在含濕量和氣壓都不改變的條件下，將濕空氣冷卻到飽和時(shí)的溫度，在焓濕圖中與相對(duì)濕度100%對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)溫度即為該含濕量對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的露點(diǎn)溫度。

如果濕空氣接觸的物體表面溫度低于該空氣的露點(diǎn)溫度，空氣將熱量傳遞給接觸的物體，空氣溫度下降，同時(shí)其相對(duì)濕度提高，物體表面溫度升高，但兩者升高速率不同，通?？諝鉄崛萘康停禍厮俣却笥诠腆w物體吸熱后的升溫速度。當(dāng)空氣溫度降至露點(diǎn)溫度時(shí)仍高于物體表面溫度，空氣溫度將繼續(xù)下降，此時(shí)空氣中的水蒸氣將從空氣中以液態(tài)形式析出，進(jìn)而在物體表面形成凝露。

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，形成空氣凝露的條件是濕空氣（水分）、物體與空氣的溫差，如果兩個(gè)條件都不滿足的時(shí)候，就不會(huì)出現(xiàn)凝露。

3 防止凝露發(fā)生的措施

根據(jù)凝露產(chǎn)生的主要原因，從減少水分進(jìn)入、防止溫差產(chǎn)生這兩個(gè)方面，有效阻止電纜溝內(nèi)凝露的產(chǎn)生。

3.1 控制電纜溝與開(kāi)關(guān)室的溫度差

控制電纜溝內(nèi)空氣溫度與其上開(kāi)關(guān)室的空氣溫度差，減少凝露發(fā)生，最直接的辦法就是將二者的空氣進(jìn)行有效的混合。開(kāi)關(guān)室的熱特性決定了開(kāi)關(guān)室上部區(qū)域的空氣溫度要高于開(kāi)關(guān)室下部的溫度，因此將開(kāi)關(guān)室頂部溫度相對(duì)較高的空氣通過(guò)通風(fēng)設(shè)備送入電纜溝內(nèi)，與電纜溝內(nèi)的空氣混合后，空氣溫度升高，相對(duì)濕度下降，并通過(guò)排風(fēng)口再次排入開(kāi)關(guān)室，從而在保持電纜溝干燥的同時(shí)，也使開(kāi)關(guān)室內(nèi)的空氣溫度更趨均勻。

3.2 維持開(kāi)關(guān)室內(nèi)的溫度均勻

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

為了有效地控制室內(nèi)的氣流組織，系統(tǒng)采用正壓送風(fēng)、自然或機(jī)械排風(fēng)的氣流組織。根據(jù)開(kāi)關(guān)室的電氣設(shè)備發(fā)熱特性，從開(kāi)關(guān)室下部送入較低溫度的空氣，這些空氣沿地面擴(kuò)散，蔓延至整個(gè)房間，到達(dá)開(kāi)關(guān)柜后，吸收開(kāi)關(guān)盤柜的熱量后緩慢上升，在送風(fēng)設(shè)備的壓頭與開(kāi)關(guān)設(shè)備散熱形成熱壓雙重作用下，送風(fēng)源源不斷地補(bǔ)充到發(fā)熱的開(kāi)關(guān)柜處，而沒(méi)有散熱的開(kāi)關(guān)柜因少了設(shè)備發(fā)熱引起的熱壓作用，送風(fēng)達(dá)到該區(qū)域的量就較少，從而保證了開(kāi)關(guān)柜間周圍空氣溫度的均勻性。

3.3 維持開(kāi)關(guān)柜內(nèi)外的溫度均勻

為了防止熱濕空氣在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)積聚，應(yīng)保持開(kāi)關(guān)柜內(nèi)外的通風(fēng)順暢?，F(xiàn)有部分開(kāi)關(guān)柜沒(méi)有設(shè)置必要的通風(fēng)裝置，一旦有潮濕空氣進(jìn)入，難以有效及時(shí)排出，隨著柜體內(nèi)外的溫度變化，有產(chǎn)生凝露的危險(xiǎn)。

在制造開(kāi)關(guān)柜時(shí)，應(yīng)根據(jù)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)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，如定制預(yù)留噴氣孔，利用過(guò)濾進(jìn)風(fēng)機(jī)加壓，使得柜內(nèi)空氣強(qiáng)制流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)整個(gè)空間均有干燥空氣流通，消除防潮死區(qū)；同時(shí)，通過(guò)噴嘴角度布置，驅(qū)動(dòng)空氣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)增強(qiáng)除濕效率，可向特定狹小部位供氣，實(shí)現(xiàn)全柜防潮、防凝露。

4 工程技術(shù)方案

4.1 解決方案設(shè)計(jì)

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(jì)思路：將開(kāi)關(guān)室上部區(qū)域的室內(nèi)空氣（必要時(shí)引入部分室外新風(fēng)）根據(jù)各自參數(shù)和室內(nèi)溫、濕度控制要求，按比例混合后經(jīng)環(huán)境控制設(shè)備（具有過(guò)濾、加壓、分配、加熱、降噪等功能）處理加壓后，送入電纜溝內(nèi)。

圖3 電纜溝進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜室控溫防凝露方案圖

進(jìn)入溝內(nèi)的空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體、地面進(jìn)行對(duì)流換熱后，送入的空氣溫度得到降低，而溝內(nèi)的空氣溫度得到提升，降低了溝內(nèi)空氣濕度；源源不斷送入的空氣使電纜溝的壓力上升，通過(guò)在電纜溝與開(kāi)關(guān)室開(kāi)設(shè)的防火通風(fēng)口進(jìn)入開(kāi)關(guān)室，相較于送入電纜溝的空氣溫度得到降低，與開(kāi)關(guān)室下部空氣混合后，使開(kāi)關(guān)盤柜下部區(qū)域空氣溫度趨于均勻。

隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)室上部空氣狀態(tài)參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整回風(fēng)和新風(fēng)比例，同時(shí)通過(guò)自然排風(fēng)口，將上部高溫的熱濕空氣溢出室外。

4.2 工程實(shí)際運(yùn)行效果

基于上述設(shè)計(jì)思路，將環(huán)境控制設(shè)備、排風(fēng)裝置等與室內(nèi)溫濕度傳感器集成在一個(gè)智能系統(tǒng)平臺(tái)，并固化在環(huán)境控制設(shè)備上。通過(guò)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)室、電纜溝和室外大氣的狀態(tài)參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整新風(fēng)（室外進(jìn)風(fēng)）、回風(fēng)（開(kāi)關(guān)柜頂部區(qū)域空氣）風(fēng)量，從而阻止室外大量熱濕空氣的侵入，保持室內(nèi)干燥，徹底杜絕凝露的發(fā)生。

為檢驗(yàn)上述方案的實(shí)際運(yùn)行效果，在揚(yáng)州110kV和220kV電纜溝進(jìn)線的變電站高壓開(kāi)關(guān)柜室，安裝了上述控溫防凝露裝置，如圖4所示。

圖4 安裝控溫防凝露裝置的開(kāi)關(guān)柜室

為檢測(cè)運(yùn)行效果，在該系統(tǒng)起動(dòng)前后分別測(cè)試電纜溝和開(kāi)關(guān)室的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)應(yīng)用前后溫濕度對(duì)比表

表1數(shù)據(jù)表明，安裝控溫防凝露裝置后，通過(guò)控溫防凝露裝置內(nèi)的電加熱器運(yùn)行時(shí)間，降低電纜溝內(nèi)空氣的相對(duì)濕度，可促進(jìn)開(kāi)關(guān)室和電纜溝內(nèi)的溫濕度趨于均衡，減少電纜溝內(nèi)潮濕空氣通過(guò)電纜接線孔進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜，從而防止開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電氣元件表面的閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生。系統(tǒng)運(yùn)行后電纜溝蓋板凝露情況如圖5所示，對(duì)比圖1可以發(fā)現(xiàn)，電纜溝蓋板背面凝露完全消除。

圖5 電纜溝蓋板背面凝露情況（運(yùn)行后）

在電纜溝進(jìn)線的開(kāi)關(guān)室安裝控溫防凝露裝置后，除了上述溫濕度參數(shù)得到準(zhǔn)確控制外，該系統(tǒng)帶來(lái)的附加效應(yīng)還表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）有效阻止室外熱濕空氣的侵入。當(dāng)室外空氣處于高熱高濕狀態(tài)時(shí)，控溫防凝露裝置通過(guò)減少或關(guān)閉新風(fēng)進(jìn)風(fēng)口，采用大比例回風(fēng)或短時(shí)全回風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行，阻止熱濕空氣進(jìn)入，防止凝露現(xiàn)象出現(xiàn)。

2）系統(tǒng)運(yùn)行能耗顯著下降。夏季利用電纜溝內(nèi)天然的冷卻能力，冷卻室內(nèi)空氣，排除開(kāi)關(guān)柜本體的散熱量，減少了空調(diào)冷卻所需能耗。

3）減少變電站開(kāi)關(guān)柜室的運(yùn)行維護(hù)工作量。由于開(kāi)關(guān)柜室維持微正壓狀態(tài)，室外空氣的進(jìn)入得到有效地控制和處理，隨室外空氣進(jìn)入室內(nèi)的灰塵量也大大減少，開(kāi)關(guān)站地面和盤柜表面的積灰可能性下降，既能預(yù)防因灰塵積聚產(chǎn)生的閃絡(luò)，也減輕了運(yùn)行維護(hù)工作量。

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行故障的分析，發(fā)現(xiàn)潮濕凝露是導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜故障的重要因素，而電纜溝進(jìn)線的開(kāi)關(guān)柜，電纜溝潮濕又是引發(fā)開(kāi)關(guān)柜凝露的主要原因。

本文提出的工程技術(shù)解決方案，通過(guò)降低電纜溝與開(kāi)關(guān)柜室的溫濕度差，消除電纜溝的凝露，經(jīng)工程實(shí)踐檢驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的效果，能夠有效防止開(kāi)關(guān)柜凝露的發(fā)生，降低開(kāi)關(guān)柜因運(yùn)行環(huán)境而發(fā)生故障的概率，為變配電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件。