考慮粗糙程度影響的環(huán)網(wǎng)柜二次小室凝露現(xiàn)象研究

劉云鵬, 郭佳熠，郭 沁，耿江海，王艷飛，劉若溪

(1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003；3.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100075)

考慮粗糙程度影響的環(huán)網(wǎng)柜二次小室凝露現(xiàn)象研究

劉云鵬1, 郭佳熠1，郭 沁1，耿江海1，王艷飛2，劉若溪3

(1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003；3.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100075)

凝露現(xiàn)象是影響電氣設(shè)備乃至整個(gè)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要問題之一?；谌斯きh(huán)境氣候室搭建了環(huán)網(wǎng)柜二次小室凝露現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，記錄了不同環(huán)境條件下，環(huán)網(wǎng)柜二次小室壁面在粗糙、較粗糙、光滑三種粗糙程度時(shí)形成凝露所需的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：二次小室壁面越粗糙，凝露形成所需的時(shí)間越長(zhǎng)；存在最優(yōu)的環(huán)境溫度使二次小室內(nèi)最不易發(fā)生凝露現(xiàn)象；二次小室柜內(nèi)外溫差越小，防凝露效果越好；小室內(nèi)溫度較低時(shí)，溫差對(duì)凝露時(shí)間的影響大于空氣含濕量，凝露時(shí)間隨溫差的減小而增長(zhǎng)，小室內(nèi)的溫度較高時(shí)，空氣含濕量對(duì)凝露時(shí)間的影響大于溫差，凝露時(shí)間隨空氣含濕量的增加而減小。

環(huán)網(wǎng)柜；二次小室；粗糙程度；凝露時(shí)間

0 引 言

戶外設(shè)備是電力系統(tǒng)的重要組成部分，由于電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，戶外設(shè)備的可靠性也變的愈發(fā)重要[1-4]。凝露現(xiàn)象作為威脅電氣設(shè)備尤其是戶外設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要問題之一，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的可靠性[5]。當(dāng)環(huán)網(wǎng)柜等戶外設(shè)備出現(xiàn)凝露時(shí)，不僅會(huì)影響設(shè)備內(nèi)部的電場(chǎng)分布[6-7]，還會(huì)導(dǎo)致其絕緣性能以及機(jī)械強(qiáng)度下降[8-9],嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致柜內(nèi)發(fā)生閃落和異常放電等事故[10-13]。

為了降低凝露現(xiàn)象給戶外設(shè)備帶來的危害，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和高等院校進(jìn)行了大量的凝露成因及防護(hù)措施研究?，F(xiàn)階段，常見的防凝露措施有：升溫、除濕以及改進(jìn)設(shè)備自身防凝露性能等[14-18]。前兩種措施雖有一定的防凝露效果，但需額外增加投入以及長(zhǎng)期維護(hù)，而第三種措施通過改變戶外設(shè)備自身的材料和設(shè)計(jì)，達(dá)到防凝露的目的，不僅可以降低設(shè)備運(yùn)行成本，還可以簡(jiǎn)化維護(hù)過程，更加適用于新型戶外設(shè)備的研發(fā)。

提高戶外設(shè)備自身防凝露能力可以通過改變?cè)O(shè)備通風(fēng)孔、電纜溝等的設(shè)計(jì)降低柜內(nèi)空氣的相對(duì)濕度；也可以通過在設(shè)備表面噴涂干燥涂料吸附空氣中的水蒸氣分子[19-20]。文獻(xiàn)[21-22]分別利用熱傳遞理論和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)證明了超疏水材料防凝露的可行性；文獻(xiàn)[23]介紹了超疏水材料防凝露的基本原理(表面浸潤(rùn)性原理)，通過改變材料接觸面的粗糙程度改變液滴與接觸面之間的接觸角，使水蒸氣不易在接觸面發(fā)生凝結(jié)。根據(jù)這一原理，不制備超疏水材料而僅改變材料表面的粗糙程度，同樣可以實(shí)現(xiàn)防凝露的目的；文獻(xiàn)[24-25]分別通過常規(guī)成型和腐蝕的工藝制備了具有不同粗糙程度表面的硅橡膠和玻璃，利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量了不同表面粗糙度對(duì)應(yīng)的不同靜態(tài)接觸角，說明了表面粗糙度與硅橡膠和玻璃兩種材料表面浸潤(rùn)性的關(guān)系：越粗糙的基底表面表觀浸潤(rùn)角越大，蒸汽冷凝形核點(diǎn)越少；文獻(xiàn)[26]通過實(shí)驗(yàn)證明了復(fù)合絕緣子的表面粗糙程度的增加會(huì)使傘裙表面憎水性和靜態(tài)接觸角產(chǎn)生明顯改變，其中靜態(tài)接觸角變化可達(dá)31%。

綜上所述，現(xiàn)有研究雖已表明改變固體材料表面的粗糙程度可以改變凝露的浸潤(rùn)特性，但這一原理目前僅僅在暖通空調(diào)超疏水防凝露的研究中取得了應(yīng)用，其對(duì)于電力設(shè)備的防凝露效果還有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；诖?，本文提出了一種直接改變環(huán)網(wǎng)柜二次小室柜壁材料表面粗糙度防凝露的方案——柜壁表面噴砂，并在人工環(huán)境氣候室內(nèi)搭建了環(huán)網(wǎng)柜二次小室凝露實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。

1 實(shí)驗(yàn)原理

凝露是由于高溫、高濕的氣體在遇到低溫物體時(shí)，溫度達(dá)到露點(diǎn)溫度而在其表面液化的現(xiàn)象。本文中以凝露時(shí)間計(jì)量環(huán)網(wǎng)柜二次小室壁面的凝露程度。凝露時(shí)間是指從二次小室內(nèi)部的溫濕度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的初始值開始，到壁面水分測(cè)試試紙變色為止所經(jīng)過的時(shí)間。當(dāng)有凝露產(chǎn)生時(shí)，水分測(cè)試試紙會(huì)由紅色變?yōu)辄S綠色，如圖1所示。

圖1 水分測(cè)試試紙變色對(duì)比圖Fig.1 Sketch of water test paper color

二次小室壁面材料的特性會(huì)影響水蒸氣的凝結(jié)過程，進(jìn)而影響凝露時(shí)間：材料的疏水性越好，水蒸氣越不容易凝結(jié)，凝露的形成時(shí)間也就越長(zhǎng)；反之亦然。水與固體表面的平衡接觸角是決定該固體浸潤(rùn)性的重要條件：接觸角小于90°時(shí)稱為親水表面；接觸角大于90°而小于150°時(shí)稱為疏水表面；接觸角大于150°時(shí)稱為超疏水表面。接觸角可以用Young方程進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：θ0為氣體、液體、固體三相平衡時(shí)的接觸角；γSV為固體、氣體界面間的表面張力；γSL為固體、液體界面間的表面張力；γLV為液體、氣體界面間的表面張力。

當(dāng)考慮實(shí)際物體表面的粗糙度時(shí)需要對(duì)式(1)進(jìn)行一定改寫：

(2)

式中：θ0′為表觀接觸角；r為實(shí)際的固體、液體界面接觸面積與表觀接觸面積之比。

由于細(xì)小溝壑的存在，實(shí)際物體固液接觸面積會(huì)大于表觀接觸面積，即r>1。

當(dāng)固體表面為疏水表面時(shí)，cosθ0和cosθ0′均為負(fù)值，此時(shí)：

(3)

(4)

因此，當(dāng)環(huán)網(wǎng)柜二次小室柜壁材料的表面粗糙度增加時(shí)，溝壑?jǐn)?shù)量增多，水與固體表面的接觸角增大，材料的疏水性也會(huì)增加，水蒸氣不易凝結(jié)，凝露的形成時(shí)間將會(huì)增長(zhǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文在人工環(huán)境氣候室內(nèi)搭建了環(huán)網(wǎng)柜二次小室凝露現(xiàn)象研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括：人工環(huán)境氣候室、二次小室、加熱器、加濕管道、小室支撐底座、水分檢測(cè)試紙、CCD攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、溫濕度控制器等，如圖2所示。

人工環(huán)境氣候室外形尺寸為8m×6m×4m，內(nèi)置風(fēng)機(jī)和加濕管道，分別用于調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度與濕度以模擬實(shí)際環(huán)境溫度和濕度，其溫度調(diào)節(jié)范圍為-20～40 ℃，精度為±0.3 ℃，相對(duì)濕度調(diào)節(jié)范圍30%～90%，精度為2%；二次小室按照其壁面的表面粗糙度的不同分為：光滑、較粗糙、粗糙三個(gè)，單個(gè)設(shè)計(jì)尺寸為1.6m×0.2m×0.15m，壁面如圖3所示；小室支撐底座用于放置小室及實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)尺寸為：2m×1.6m×1.2m；加熱器共三個(gè)，分別布置在三個(gè)小室內(nèi)中間位置，每個(gè)功率為100W，用于調(diào)節(jié)小室內(nèi)的初始溫度；加濕器布置在小室支撐底座內(nèi)，用于調(diào)節(jié)小室內(nèi)的初始濕度，額定加濕量為1kg/h；溫濕度控制器用于監(jiān)測(cè)小室及支撐底座內(nèi)的溫濕度，并控制加熱器和加濕器的工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)小室內(nèi)的初始溫濕度；水分檢測(cè)試紙用于判定凝露是否產(chǎn)生(凝露產(chǎn)生時(shí)，試紙將由橙紅色變?yōu)辄S綠色)；CCD攝像機(jī)聯(lián)合計(jì)算機(jī)用于觀測(cè)并記錄小室頂部壁面凝露的形成過程。

1.人工環(huán)境氣候室；2.氣候室風(fēng)機(jī)；3.氣候室加濕管道；4.粗糙壁面小室；5.較粗糙壁面小室；6.光滑壁面小室；7.水分檢測(cè)試紙；8.加熱器；9.溫濕度控制器；10.加濕器；11.CCD；12.計(jì)算機(jī)；13.小室支撐底座圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 The experiment system

圖3 二次小室壁面Fig.3 The wall of secondary cabinet

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同柜壁粗糙程度

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度[27]。本文采用中線制(輪廓法)評(píng)定小室壁面的表面粗糙度，所選評(píng)定指標(biāo)為輪廓的算術(shù)平均偏差[28]。

實(shí)驗(yàn)開始前，利用TR200手持式粗糙度儀分別對(duì)三種小室壁面的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。如圖4所示，將壁面平均分成9份，編號(hào)1～9；分別測(cè)量每個(gè)區(qū)域的表面粗糙度；最后將9個(gè)測(cè)量結(jié)果取平均值作為該壁面的平均表面粗糙度，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

分析表1可知，三個(gè)壁面的表面粗糙度有明顯差異。壁面B(粗糙壁面)的表面粗糙度最大，平均表面粗糙度達(dá)到了Ra10.992μm；壁面A(較粗糙壁面)的平均表面粗糙度為Ra2.417μm；壁面C(光滑壁面)的表面粗糙度最小，平均值為Ra1.023μm。

圖4 壁面區(qū)域劃分及編號(hào)Fig.4 Region division and number on the wall

表1 不同柜壁表面粗糙度 (μm)

實(shí)驗(yàn)過程中，利用溫濕度控制器調(diào)節(jié)柜內(nèi)初始溫度和濕度分別達(dá)到30 ℃ 和70%，并在此時(shí)斷開溫濕度控制器使加熱器和加濕器一直處于工作狀態(tài)。氣候室濕度控制在70%，溫度分別調(diào)節(jié)為10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃，記錄三個(gè)二次小室柜體內(nèi)壁形成凝露所需的時(shí)間，如表2所示。

表2 不同柜壁粗糙程度下凝露時(shí)間

從表2中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以得到如圖5所示的折線圖。

分析表2和圖5可以發(fā)現(xiàn)：在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，三種柜壁粗糙程度對(duì)應(yīng)的凝露時(shí)間由長(zhǎng)到短依次為：粗糙、較粗糙、光滑。例如：當(dāng)氣候室溫度為20 ℃時(shí)，三種柜壁粗糙程度對(duì)應(yīng)的凝露時(shí)間依次為：16 min、10 min、5 min。粗糙壁面對(duì)應(yīng)的凝露時(shí)間比其他兩種壁面對(duì)應(yīng)的凝露時(shí)間都長(zhǎng)。凝露時(shí)間與柜壁的表面粗糙度正相關(guān)，凝露時(shí)間隨柜壁表面粗糙度的增大而增長(zhǎng)。柜壁表面噴砂工藝處理后滿足疏水表面的條件，基于前文實(shí)驗(yàn)原理部分的分析，當(dāng)柜壁的粗糙程度增大時(shí)，柜壁與凝露液滴之間的實(shí)際接觸面積增大，而二者的表觀接觸面積保持不變，固體與液體之間的表觀接觸角增大，柜壁的疏水性隨之提高，水蒸氣不易在柜壁凝結(jié)，凝露時(shí)間增長(zhǎng)。

圖5 凝露時(shí)間與柜壁粗糙程度關(guān)系Fig.5 The relationship between condensation time and rough conditions

3.2 不同二次小室初始溫度

實(shí)驗(yàn)時(shí)二次小室的初始溫度同樣會(huì)影響本次試驗(yàn)的凝露時(shí)間。改變二次小室內(nèi)初始溫度，使其為30 ℃、25 ℃、20 ℃，進(jìn)行凝露實(shí)驗(yàn)，記錄凝露時(shí)間。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取壁面B的三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 壁面B不同初始溫度凝露時(shí)間

從中提取數(shù)據(jù)并處理，如圖6所示。

分析表3和圖6可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)柜壁的粗糙程度和氣候室溫濕度一定時(shí)，凝露時(shí)間隨小室內(nèi)初始溫度的升高而減小。例如：當(dāng)氣候室溫度為20 ℃時(shí)，小室內(nèi)起始溫度20 ℃、25 ℃、30 ℃對(duì)應(yīng)的凝露時(shí)間分別為37 min、32 min、16 min。小室壁面發(fā)生凝露的必要條件之一是小室內(nèi)的溫度比外部高，且凝露時(shí)間與柜內(nèi)外溫差呈負(fù)相關(guān)，即內(nèi)外溫差越大凝露時(shí)間越短。當(dāng)氣候室溫濕度不變時(shí)，小室內(nèi)外的溫差只與小室內(nèi)部的溫度有關(guān)，內(nèi)部溫度越高，內(nèi)外的溫差越大，凝露時(shí)間也就越短。

圖6 凝露時(shí)間與二次小室初始溫度關(guān)系Fig.6 The relationship between condensation time and initial temperatures in secondary cabinet

當(dāng)小室內(nèi)部初始溫度和材料的粗糙程度一定時(shí)，凝露時(shí)間隨氣候室溫度的上升呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)，當(dāng)柜內(nèi)的初始溫度不同時(shí)，最大凝露時(shí)間對(duì)應(yīng)的氣候室溫度也不同：二次小室初始溫度為20 ℃和25 ℃時(shí)，最大凝露時(shí)間出現(xiàn)在氣候室溫度為20 ℃時(shí)；二次小室初始溫度為30 ℃時(shí)，最大凝露時(shí)間出現(xiàn)在氣候室溫度為15 ℃時(shí)。凝露時(shí)間除了受到柜內(nèi)外溫差的影響，還受到其他多種因素的影響，空氣中的含濕量便是其中之一。溫度、空氣相對(duì)濕度與含濕量三者之間的關(guān)系如圖7所示。由于二次小室內(nèi)部溫度變化不大，當(dāng)氣候室溫度較低時(shí)，柜內(nèi)外溫差會(huì)隨氣候室溫度的升高而變小，凝露時(shí)間隨之變長(zhǎng)；當(dāng)氣候室溫度較高時(shí)，柜內(nèi)外的溫差不大，但此時(shí)由于空氣溫度較高，一定空氣相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)的含濕量較空氣溫度較低時(shí)有明顯增大，空氣中水分子的增多使其更容易在小室壁面析出，從而使凝露時(shí)間減小。從圖6中還可以看出，在空氣的相對(duì)濕度較大時(shí)，隨溫度的升高，含濕量變化曲線的斜率出現(xiàn)明顯增大，即相同空氣相對(duì)濕度下，溫度越高含濕量隨溫度的增大越快。因此，溫度越高，凝露時(shí)間受到溫差的影響越小，而受到空氣含濕量的影響越大。

圖7 溫度、空氣相對(duì)濕度、含濕量的關(guān)系Fig.7 The relationship between temperature, air relative humidity and moisture content

4 結(jié) 論

本文在人工環(huán)境氣候室內(nèi)搭建了環(huán)網(wǎng)柜二次小室凝露現(xiàn)象研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，記錄了不同環(huán)境溫度及二次小室初始溫度下，粗糙、較粗糙、光滑壁面形成凝露所需的時(shí)間，得出如下結(jié)論：

(1)粗糙柜壁的凝露時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于較粗糙和光滑兩種情況，增加柜壁的粗糙程度對(duì)于戶外設(shè)備防凝露具有積極作用。

(2)相同柜壁粗糙程度和初始溫度條件下，凝露時(shí)間隨氣候室溫度的升高呈先增大后減小的趨勢(shì)，即存在最優(yōu)的環(huán)境溫度使二次小室內(nèi)最不易發(fā)生凝露現(xiàn)象。

(3)當(dāng)柜壁的粗糙程度和氣候室溫濕度相同時(shí)，凝露時(shí)間隨小室內(nèi)初始溫度的升高而減小，即二次小室柜內(nèi)外溫差越小，防凝露效果越好。

(4)小室內(nèi)溫度較低時(shí)，溫差對(duì)凝露時(shí)間的影響大于空氣含濕量，凝露時(shí)間隨溫差的減小而增長(zhǎng)，小室內(nèi)的溫度較高時(shí)，空氣含濕量對(duì)凝露時(shí)間的影響大于溫差，凝露時(shí)間隨含濕量的增加而減小。

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Research on Condensation in Secondary Cabinet of Ring Main Unit Considering the Impact of Roughness

LIU Yunpeng1, GUO Jiayi1, GUO Qin1, GENG Jianghai1, WANG Yanfei2, LIU Ruoxi3

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 3. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100075, China)

Condensation is one of the most important problems which affects the safety and reliability of electrical equipment and the entire power system. An experiment system of condensation inside the cabinet is set up based on artificial climate chamber. Condensation formation time under different environmental conditions are recorded when the wall surface of the chamber is in rough condition, rougher condition and smooth condition. The results show that, the rougher the surface is the longer condensation time in secondary cabinet is. There is an optimal ambient temperature making it less possible for condensation in the chamber. The smaller the temperature difference between inside and outside is the better anti-condensation is. When the temperature in the cabinet is low, effect of temperature difference on condensation time is greater than humidity ratio and the condensation time increases as the temperature difference decrease. If the temperature in the cabinet is high, effect of humidity ratio on condensation time will be greater than temperature difference. And the condensation time decreases as the humidity ratio increases.

ring main unit; secondary cabinet; roughness; condensation time

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.02.01

2016-08-23.

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助(5202231402LB).

TM81

A

1007-2691(2017)02-0001-06

劉云鵬(1976-)，男， 教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘馗邏狠旊娂夹g(shù)、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷和高電壓絕緣技術(shù)等；郭佳熠(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)；郭沁(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)；耿江海(1980-)，男，工程師，研究方向?yàn)楦唠妷涸囼?yàn)技術(shù)與外絕緣；王艷飛(1992-)女，碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c應(yīng)用；劉若溪(1982-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)故障診斷與設(shè)備故障分析。