開關(guān)柜內(nèi)凝露現(xiàn)象數(shù)值模擬研究

陳榮 閆新 嚴(yán)瑋 張弛 劉巍 楊昆

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 300384 2華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 湖北武漢 430074）

開關(guān)柜內(nèi)凝露現(xiàn)象數(shù)值模擬研究

陳榮1閆新2嚴(yán)瑋1張弛1劉巍2楊昆2

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 300384 2華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 湖北武漢 430074）

對開關(guān)柜中的凝露現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，建立了開關(guān)柜中濕空氣凝露現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，分析了開關(guān)柜內(nèi)濕空氣初始相對濕度、外界環(huán)境溫度、開關(guān)柜壁面與外界環(huán)境間的對流換熱系數(shù)、冷凝壁面的位置等因素對開關(guān)柜內(nèi)凝露現(xiàn)象的影響，結(jié)果表明：開關(guān)柜的初始空氣相對濕度越大、環(huán)境溫度越低、壁面與環(huán)境之間的對流換熱系數(shù)越大，則冷凝速率越大。在本文模擬的情況中，當(dāng)開關(guān)柜頂部與左壁面熱邊界條件相同時，在開關(guān)柜頂部更容易產(chǎn)生凝露。

開關(guān)柜；凝露；濕空氣；數(shù)值模擬

在我國，開關(guān)柜是一種應(yīng)用廣泛的電力設(shè)備，應(yīng)用于城市供電、配電系統(tǒng)中。但由于其工作環(huán)境特殊，柜內(nèi)容易產(chǎn)生凝露，凝露的產(chǎn)生對開關(guān)柜的安全運行有很大危害。文獻(xiàn)[1-3]指出柜內(nèi)凝露的產(chǎn)生會導(dǎo)致內(nèi)部絕緣性能下降，各類絕緣缺陷會逐漸發(fā)展為擊穿，釀成事故。文獻(xiàn)[4]指出開關(guān)柜等內(nèi)部設(shè)備長時間在潮濕的環(huán)境中運行，極易造成機構(gòu)部件特別是鐵質(zhì)部件的銹蝕，而導(dǎo)致開關(guān)機構(gòu)無法操作，釀成事故。

本文將開關(guān)柜簡化為閉口腔，研究不同的濕空氣相對濕度及不同邊界條件下，開關(guān)柜內(nèi)濕空氣的凝露現(xiàn)象，對開關(guān)柜柜內(nèi)凝露的防治具有一定參考意義。

1 物理模型

圖1 開關(guān)柜計算模型

圖1給出了本文的開關(guān)柜計算模型，為二維閉口腔，其高寬比為2:3，腔內(nèi)部為濕空氣。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 模型的假設(shè)

本文建立的數(shù)學(xué)模型中,采用了如下幾點假設(shè)。

2.1.1 忽略冷凝水的熱阻和冷凝水對流動的影響；

2.1.2 凝露現(xiàn)象在壁面發(fā)生，并且僅當(dāng)壁面溫度低于濕空氣的露點溫度時產(chǎn)生凝露；

2.1.3 固體壁面上采用無滑移邊界條件。

2.2 邊界條件及數(shù)值計算方法

進(jìn)行計算。

3 計算結(jié)果及分析

本文主要研究了開關(guān)柜內(nèi)初始濕空氣濃度、外界環(huán)境溫度及對流換熱系數(shù)對開關(guān)柜中凝露現(xiàn)象的影響。

3.1 濕空氣初始相對濕度的影響

開關(guān)柜左右壁面采用定璧溫邊界條件，Tleft=285K，TRight=312K，上下壁面為絕熱。圖2給出了濕空氣初始溫度為300K，初始相對濕度為90%，計算時長為10000s時開關(guān)柜內(nèi)部濕空氣的溫度分布圖。

從圖2可以看出，由于左右壁面溫差，在開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生了自然對流。左側(cè)壁面溫度較低，凝露發(fā)生在左壁面處，圖3給出了采用相同邊界條件下，初始相對濕度分別為90%，70%，50%對應(yīng)的水蒸氣冷凝速率的變化情況。

從圖3中可以看出，隨著水蒸氣的逐漸冷凝，開關(guān)柜內(nèi)水蒸氣的含量減小，冷凝速率逐漸減小，當(dāng)冷凝壁面的溫度高于濕空氣露點溫度時，冷凝速率減小到零。初始相對濕度越大，冷凝速率越大，冷凝完成所需時間越長，這是因為濕空氣相對濕度越大，對應(yīng)的露點溫度越高，在相同壁面溫度條件下，冷凝速率越快，水蒸氣質(zhì)量減少越快，但由于水蒸氣含量較大，冷凝完成所需時間也越長。

圖2 開關(guān)柜內(nèi)部濕空氣溫度分布

圖3 不同初始相對濕度下冷凝速率變化

3.2 環(huán)境溫度的影響

實際應(yīng)用中，柜體壁面溫度受外界環(huán)境溫度影響較大，為此，將開關(guān)柜左壁面取為第三類邊界條件，假定左壁面與外界環(huán)境的對流換熱系數(shù)，環(huán)境溫度隨時間變化。

圖4給出了初始相對濕度分別為90%，70%時的冷凝速率變化情況，從圖中可以看出冷凝速率隨時間先增加，后逐漸降低，這主要是因為模擬剛開始時溫度較高，凝露不易產(chǎn)生，隨著時間的增加，外界環(huán)境溫度降低，壁面溫度也隨之降低，冷凝速率逐漸增大，冷凝過程持續(xù)一段時間后，開關(guān)柜內(nèi)水蒸氣含量下降，水蒸氣所占分壓降低，對應(yīng)的露點溫度降低，冷凝逐漸難以發(fā)生，速率逐漸降低至零。

圖4 冷凝速率變化

3.3 壁面與環(huán)境間對流換熱系數(shù)的影響

圖5 不同對流換熱系數(shù)下壁面溫度變化

壁面與環(huán)境間對流換熱系數(shù)對壁面的溫度變化影響很大，從而影響開關(guān)柜內(nèi)部水蒸氣冷凝速率。為了更容易分析凝露的影響，假設(shè)環(huán)境溫度較低，濕空氣初始相對濕度為90%，改變壁面與環(huán)境的對流換熱系數(shù)進(jìn)行模擬。

圖6 水蒸氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

圖5給出了流換熱系數(shù)分別為10、15、20w/m2.K時的左壁面溫度變化，圖6給出了開關(guān)柜內(nèi)水蒸氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。從圖5、6中可以看出，對流換熱系數(shù)越大，水蒸氣質(zhì)量減少越快，這是因為對流換熱系數(shù)越大，左壁面溫度越接近于環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，冷凝越容易發(fā)生。但對流換熱系數(shù)越大，水蒸氣含量減少越快，相應(yīng)的露點溫度降低越快，壁面發(fā)生冷凝條件逐漸變苛刻，所以在經(jīng)歷了一定時間后，在低對流換熱系數(shù)時水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)會下降得更為緩慢。

3.4 頂部及左壁面同時凝露分析

實際應(yīng)用中，開關(guān)柜頂部通常也會發(fā)生凝露，將上壁面邊界條件改為與左壁面相同，均為第三類邊界條件，開關(guān)柜內(nèi)空氣初始相對濕度為90%，研究此時的凝露情況。圖7給出了開關(guān)柜內(nèi)溫度場，圖8給出了上壁面和左壁面冷凝速率的變化情況。

圖7 開關(guān)柜內(nèi)部流體溫度分布

圖8 左壁面、上壁面冷凝速率變化

從圖8中可以看出，當(dāng)左壁面、上壁面采用相同的熱邊界條件時，上壁面更容易產(chǎn)生冷凝，冷凝速率更大。分析柜體內(nèi)部溫度分布圖可以看出，由于右壁面為加熱壁面，右邊的濕空氣先被加熱，流經(jīng)頂部后再沿左壁面流動。因此，隨著濕空氣的流動，首先在上壁面處產(chǎn)生凝露，使得水蒸氣含量下降；當(dāng)濕空氣流動到左壁面時，貼近壁面的濕空氣中水蒸氣含量已經(jīng)很低，相應(yīng)的露點溫度也較低，這就使得左壁面不易產(chǎn)生凝露，左壁面處的冷凝速率要低于上壁面。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法對不同工況下，開關(guān)柜內(nèi)濕空氣的冷凝進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

4.1 開關(guān)柜的初始空氣相對濕度越大，壁面越容易發(fā)生冷凝情況，冷凝速率也越大，對開關(guān)柜而言，防止凝露應(yīng)盡量減少內(nèi)部空氣濕度。

4.2 環(huán)境溫度越低、開關(guān)柜壁面與環(huán)境之間的對流換熱系數(shù)越大，開關(guān)柜中越容易產(chǎn)生凝露，凝露的速率也越大。因此可以盡量減小開關(guān)柜壁面與環(huán)境之間的換熱以防止開關(guān)柜內(nèi)凝露的產(chǎn)生。

4.3 開關(guān)柜中濕空氣自然對流的情況與開關(guān)柜壁面的熱邊界條件共同決定了開關(guān)柜中易產(chǎn)生凝露的部位。對本文模擬的情況，當(dāng)開關(guān)柜頂部和左壁面熱邊界條件相同時，在開關(guān)柜頂部更容易產(chǎn)生凝露。

[1]周加斌,陳玉峰,朱文兵.濕度對高壓開關(guān)柜內(nèi)絕緣影響的試驗研究[A].中國電機工程學(xué)會.2013年中國電機工程學(xué)會年會論文集[C].中國電機工程學(xué)會,2013:6.

[2]李英奇,王戰(zhàn)紅,梅超美,陳琦,唐煒,郗亮.一起開關(guān)柜凝露閃絡(luò)事故分析與預(yù)防措施[J].陜西電力,2009,04:51-53.

[3]羅宣國,夏麗建.電氣設(shè)備的防凝露技術(shù)研究[J].可再生能源, 2014,04:489-492.

[4]麥琳.環(huán)網(wǎng)柜防凝露方法探討[J].科技風(fēng),2013(22):23-29.