開關(guān)柜凝露問題研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展

顧澤波，趙雪茹，郭 力

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

一般來說，凝露的形成有兩種途徑，一種是吸濕性污穢層吸水潤濕，污穢層主要是可溶性鹽和不溶性雜質(zhì)，受到環(huán)境條件和降雨強(qiáng)度影響；另一種是由于外部環(huán)境或負(fù)荷變化導(dǎo)致物體表面溫度低于環(huán)境露點(diǎn)，使得空氣中的水分在物體表面凝結(jié)，此時(shí)凝露對(duì)象的比熱容越小、散熱面積越大，形成凝露的窗口期越短。開關(guān)柜的密封性有限且內(nèi)部通風(fēng)效率不高，水汽非常容易進(jìn)入并在其中滯留累積，因而凝露問題也最為突出，直接影響柜內(nèi)絕緣關(guān)鍵部件的耐壓絕緣性能。

目前，探討分析變電站內(nèi)開關(guān)柜凝露問題及其治理方法的研究有很多，這些研究成果分別集中于部件凝露老化試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)控制和檢測(cè)方法、防凝露涂料開發(fā)與驗(yàn)證、空氣流動(dòng)和電場(chǎng)仿真計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，較少系統(tǒng)性綜述。本文主要圍繞對(duì)開關(guān)柜絕緣安全性起到?jīng)Q定性作用的主要絕緣部件，例如絕緣子、穿柜套管、觸頭盒以及線纜等部件受凝露影響的失效問題與機(jī)理，對(duì)適合華南地區(qū)的防治技術(shù)，以及相關(guān)試驗(yàn)方法研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 凝露機(jī)理

凝露問題是一種常見的自然現(xiàn)象。當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部空氣絕對(duì)濕度較高，而設(shè)備或物體表面溫度變化至低于露點(diǎn)、使得局部空氣水蒸氣含量達(dá)到飽和時(shí)，濕空氣中的水蒸氣便會(huì)在表面析出、凝結(jié)成水滴。

1.1 華南地區(qū)氣象特點(diǎn)與監(jiān)測(cè)

以廣州市為例，年平均氣溫21.9℃，極端低溫為0℃、極端高溫達(dá)39.3℃，年平均風(fēng)速僅1.9 m/s，年平均降水量1 695.9 mm，年平均相對(duì)濕度為78%，而且全年48%的時(shí)間里相對(duì)濕度在80%以上，是典型的亞熱帶濕熱氣候[2]。此外，由于城區(qū)和郊區(qū)的下墊面不同，會(huì)出現(xiàn)城市干島和濕島效應(yīng)，表現(xiàn)為兩地的水汽壓差異，例如凝露濕島出現(xiàn)時(shí)，城區(qū)夜間水汽壓和氣溫均較郊區(qū)更高、而郊區(qū)相對(duì)濕度很高故凝露量更大[3]。同理，坐落于不同區(qū)域的開關(guān)柜局部微環(huán)境也有很大差異。因此，為了更好地掌握開關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境條件，有必要在已有氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選取區(qū)域內(nèi)典型設(shè)備進(jìn)行溫濕度布點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

此外，考慮到常規(guī)凝露傳感器不適用于低濕區(qū)間且在污穢影響下靈敏度降低，建議受鹽霧影響較大的地區(qū)，在柜內(nèi)重點(diǎn)部位布置鹽沉降量監(jiān)測(cè)傳感器，以掌握鹽霧沉積和凝露情況[4-5]，為柜體結(jié)構(gòu)改進(jìn)和管理策略優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

一般來說，可以采用露點(diǎn)儀獲取露點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，但直接法露點(diǎn)測(cè)量設(shè)備價(jià)格較高，而不同類型的間接測(cè)量設(shè)備可靠性有一定局限，例如容易受到環(huán)境溫度或?qū)ξ廴拘詺怏w的影響或不適用于低濕/高濕場(chǎng)景等。而且開關(guān)柜內(nèi)部布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在工況波動(dòng)情況，傳統(tǒng)空氣露點(diǎn)監(jiān)測(cè)手段的應(yīng)用效果有限。

為了防止施工過程中破壞井口，首先在調(diào)壓井口沿開挖邊線修筑寬0.5 m、高0.5 m的混凝土鎖口，再采用0.3 m3小型挖掘機(jī)配合人工從地面自上而下分層進(jìn)行土方開挖，開挖土料通過導(dǎo)井倒入下部隧洞開挖掌子面，再通過扒渣機(jī)配合農(nóng)用車通過開挖完成的隧洞運(yùn)輸至洞外棄渣場(chǎng)。井壁周邊至導(dǎo)井口應(yīng)有適當(dāng)坡度，便于扒渣。調(diào)壓井施工示意圖見圖2。

1.2 露點(diǎn)計(jì)算

大氣環(huán)境的露點(diǎn)可根據(jù)本地氣象站公開的干球、濕球溫度測(cè)量結(jié)果由馬格努斯（Magnus-Teten）近似公式轉(zhuǎn)換得到，該方法在0～50℃范圍內(nèi)的誤差在1%以內(nèi)[6]。露點(diǎn)溫度和飽和水汽壓可由下式計(jì)算得到，

式中：t為露點(diǎn)溫度，℃；tw為濕球溫度，℃；Etw為濕球溫度所對(duì)應(yīng)的的純水平液面的飽和水汽壓；Ew為干球溫度所對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓，hPa；A為干濕表系數(shù)，℃-1，由干濕系數(shù)表查得；Ph為當(dāng)?shù)貧鈮?，hPa；T為絕對(duì)溫度，℃；E為飽和水汽壓，hPa。

更方便地，還可以根據(jù)Magnus公式，依據(jù)空氣干球溫度T和相對(duì)濕度RH計(jì)算露點(diǎn)溫度Td，如式（3）～（4）所示。圖1所示為依據(jù)計(jì)算結(jié)果所繪制的氣溫與露點(diǎn)溫度溫差趨勢(shì)圖?？梢姡?dāng)空氣相對(duì)濕度達(dá)到70%時(shí)，大氣溫度為30℃時(shí)，露點(diǎn)溫度僅比氣溫低約6℃，較易在氣溫波動(dòng)的時(shí)候在短時(shí)間內(nèi)形成凝露。

圖1 空氣溫度與露點(diǎn)溫度之差隨氣溫及相對(duì)濕度的變化關(guān)系

式中：a=17.27℃；b=237.3℃。

2 關(guān)鍵部件失效問題與應(yīng)對(duì)措施

考慮到凝露對(duì)各個(gè)部件的影響機(jī)理、危害程度及相應(yīng)的改進(jìn)策略各不相同，故分為箱柜、穿柜套管及觸頭盒、絕緣子、母線等高壓導(dǎo)體逐個(gè)展開探討。

2.1 箱柜

箱柜相關(guān)的主要應(yīng)對(duì)措施有結(jié)合歷史運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)或仿真計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化柜體通風(fēng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置，并保證柜體密封性，改善通風(fēng)效率，具體如下。

凝露仿真方面，考慮到開關(guān)柜通常采用下進(jìn)風(fēng)上出風(fēng)的散熱形式，并將風(fēng)機(jī)設(shè)在柜體的中插板、斷路器室頂部或母線室頂部[7]，多數(shù)仿真模型物理結(jié)構(gòu)以此為基礎(chǔ)設(shè)定空氣傳質(zhì)的進(jìn)出口邊界條件。西安交通大學(xué)唐強(qiáng)等對(duì)手車式KYN61-40.5 kV開關(guān)柜的氣流場(chǎng)和濕度場(chǎng)進(jìn)行三維仿真計(jì)算，結(jié)果表明母排入口及滅弧室、連接部位等導(dǎo)流路徑上的空氣運(yùn)動(dòng)劇烈、流速高于其他部位，如圖2所示[8-9]，但觸頭盒筒壁內(nèi)部和真空滅弧室處濕空氣不易流出，更容易出現(xiàn)凝露問題，與實(shí)際擊穿部位相吻合。通過計(jì)算不同凝露條件下觸頭盒局部電場(chǎng)分布發(fā)現(xiàn)，凝露導(dǎo)致的電場(chǎng)強(qiáng)度畸變不足以直接擊穿空氣，進(jìn)一步結(jié)合周圍環(huán)境分析發(fā)現(xiàn)事故變電站附近存在煤礦企業(yè)，含硫含氮的工業(yè)粉塵易在密閉空間內(nèi)堆積形成干污穢，高濕度條件下形成凝露時(shí)則吸水潤濕形成導(dǎo)電溶液，最終導(dǎo)致電暈放電和腐蝕問題，增加擊穿概率。因此建議控濕防塵雙管齊下、同時(shí)盡量將加熱器和通風(fēng)裝置設(shè)置在靠近電纜室柜壁上。

圖2 模擬得到的開關(guān)柜氣流場(chǎng)流速

對(duì)于開關(guān)柜頂部凝露滴落導(dǎo)致閃絡(luò)及通風(fēng)不暢導(dǎo)致防凝露設(shè)備效果有限等問題，深圳供電局張煒等[10]對(duì)傳統(tǒng)的共箱開關(guān)柜柜體流場(chǎng)分布進(jìn)行建模，對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)柜體內(nèi)部流動(dòng)特性的影響，提出適當(dāng)加大柜體尺寸、頂部設(shè)計(jì)為斜坡狀、進(jìn)風(fēng)口采用帶導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)等通風(fēng)改進(jìn)措施。還有技術(shù)人員在內(nèi)部隔室加開百葉窗通風(fēng)孔、開關(guān)柜頂部和母線橋架頂部泄壓板上加開魚鱗百葉窗[11]等方式，來減少內(nèi)部局部濕空氣滯留，增強(qiáng)通風(fēng)對(duì)流效果。

密封處理方面，最重要的是保證底部電纜艙密封性，建議柜體基礎(chǔ)底部采用不變形、不開裂的防火泥封堵材料，例如硅酮橡膠等[12-13]，電纜室內(nèi)表面、底面及隔離墻雙側(cè)面均做防水處理[14]，配備事故通風(fēng)裝置，并在排風(fēng)機(jī)上配置停機(jī)自密封閘板[1]。此外，現(xiàn)有開關(guān)柜防護(hù)等級(jí)多為IP3X或IP4X，可根據(jù)實(shí)際需求提高到IP55，比如采用雙層具備保溫功能的門結(jié)構(gòu)、外門縫隙加裝橡膠密封條，通風(fēng)口處設(shè)置過濾棉，預(yù)留通訊和供電線孔并加裝倒扣防護(hù)罩，內(nèi)門鑲嵌觀察窗以減少開門次數(shù)等[15]。設(shè)計(jì)完成后，可進(jìn)一步開展開關(guān)設(shè)備的凝露和污穢工況試驗(yàn)，考察試驗(yàn)樣品的絕緣和帶電耐蝕特性，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 3906-2020或DL/T 593-2016[16]。

運(yùn)營維護(hù)方面，在高凝露風(fēng)險(xiǎn)季節(jié)加強(qiáng)對(duì)長期處于備用狀態(tài)、低負(fù)荷的開關(guān)柜巡檢力度或者配備無線傳輸凝露在線監(jiān)測(cè)裝置，如圖3所示[17]，重點(diǎn)關(guān)注日落后半小時(shí)至日出前半小時(shí)露水凝結(jié)段的運(yùn)行情況[18-19]，以期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除凝露隱患。

圖3 溫濕度監(jiān)測(cè)無限傳輸裝置結(jié)構(gòu)[17,20]

2.2 穿柜套管及觸頭盒

開關(guān)柜穿柜套管和觸頭盒多采用環(huán)氧樹脂為主絕緣介質(zhì)，兩者都屬于“插入式”的電極布置方式，基體和法蘭邊緣電場(chǎng)十分集中。若套管或觸頭盒同時(shí)存在設(shè)計(jì)或安裝缺陷及凝露水珠，則會(huì)形成局部集中電場(chǎng)，出現(xiàn)局部絕緣放電現(xiàn)象，造成絕緣材料（尤其是觸頭盒搭接縫處）熱分解與電分解，同時(shí)觸頭觸指和內(nèi)部金屬嵌件受潮氧化產(chǎn)生銅綠，如圖4所示[21]。長期運(yùn)行于高濕度、高鹽、重污穢環(huán)境條件下，當(dāng)絕緣材料老化到一定程度、尤其是系統(tǒng)過壓時(shí)，將會(huì)造成套管及觸頭盒爆炸甚至母線嚴(yán)重放電、相間擊穿和短路等故障事故[22-24]。

圖4 屏蔽網(wǎng)附近裂紋及屏蔽網(wǎng)融化、變形

對(duì)此，一方面可以采取2.1節(jié)所述措施進(jìn)行總體調(diào)控，另一方面還可以采用仿真方法計(jì)算電場(chǎng)分布、優(yōu)化套管及觸頭盒結(jié)構(gòu)[24-25]，同時(shí)利用傳統(tǒng)的特高頻局放檢測(cè)手段，結(jié)合新型臭氧或可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)手段，對(duì)套管缺陷進(jìn)行定位和事故預(yù)警[26]。

此外，考慮到套管及觸頭盒的性能不僅受到由負(fù)荷變化和外部環(huán)境波動(dòng)引起的凝露問題影響，還受高負(fù)荷工況的溫升熱老化效應(yīng)影響，使得柜內(nèi)溫度總體具有冷熱循環(huán)的特點(diǎn)。因此，可以采用熱老化、冷熱循環(huán)老化試驗(yàn)方法對(duì)套管及觸頭盒進(jìn)行模擬加速老化，并對(duì)試驗(yàn)前后的樣品進(jìn)行工頻電壓干耐受試驗(yàn)和局放試驗(yàn)檢驗(yàn)[27]，以此考察材料的絕緣耐久特性。為了減輕凝露對(duì)套管及觸頭盒的不良影響，提高其絕緣水平和運(yùn)行可靠性，主要應(yīng)對(duì)措施有選用高耐電痕性的優(yōu)質(zhì)阻燃憎水性絕緣材料或涂刷防污閃涂料，采用雙屏蔽的絕緣設(shè)計(jì)，母線外部包覆絕緣和阻燃性能高的熱縮套，用硅橡膠自粘膠帶纏繞或在制造過程中采用流化床噴涂阻燃絕緣粉末[24,28-29]。

2.3 絕緣子

絕緣子起到固定支撐母線和絕緣的作用，由支撐芯體和復(fù)合外套、組成。按照材料類型可以分為硅橡膠復(fù)合絕緣子和電瓷、玻璃材料絕緣子3大類，其中硅橡膠絕緣子的應(yīng)用最為廣泛，具有濕閃污閃電壓高的特點(diǎn)。

一般來說，在一定濕度范圍內(nèi)絕緣子的放電電壓隨濕度而升高，這是因?yàn)闈窨諝庵兴肿泳哂形阶杂呻娮拥淖饔茫欢?dāng)絕緣子表面凝露時(shí)，則會(huì)發(fā)生沿面放電導(dǎo)致閃絡(luò)電壓降低。對(duì)憎水性的硅橡膠來說，局部放電首先發(fā)生在水珠、硅橡膠和空氣的結(jié)合處，局部場(chǎng)強(qiáng)集中，絕緣子表面易產(chǎn)生強(qiáng)烈局部放電現(xiàn)象。此外，絕緣子表面的污穢使得表面更容易潤濕，還會(huì)顯著促進(jìn)凝露液滴的融合，而且表面污穢凝露量越大，污穢層電導(dǎo)率越低，相應(yīng)的閃絡(luò)電壓也越低。隨著環(huán)境濕度的增加，當(dāng)硅橡膠絕緣子表面的凝露表現(xiàn)為密集分布的大直徑（1～2 mm）、大體積液滴，甚至形成直徑2 mm以上的超大尺寸液滴或連續(xù)水膜時(shí)，局部液滴形態(tài)和電場(chǎng)嚴(yán)重畸變，進(jìn)而出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象，而且電暈放電與水反應(yīng)生成的硝酸也是加速劣化的重要因素[30-31]。長此以往，絕緣表面憎水性遭受破壞、干區(qū)放電問題惡化，如圖5所示，最終閃絡(luò)電壓大幅下降[31]。

圖5 凝露干區(qū)放電現(xiàn)象

為了研究絕緣子表面凝露對(duì)絕緣特性的影響規(guī)律，可以根據(jù)在役開關(guān)柜內(nèi)的鹽密和灰密實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)樣品進(jìn)行涂刷污穢前處理或利用超聲波鹽霧發(fā)生裝置制造鹽污沉積，利用人工氣候箱內(nèi)制造凝露條件開展交流污穢試驗(yàn)，研究凝露液滴分布特征及其對(duì)局放和閃絡(luò)特性影響規(guī)律[32-33]。

為了減輕凝露問題對(duì)絕緣子的影響，相關(guān)措施有噴涂具有濕熱環(huán)境耐久性的噴涂防污閃涂料[34]，改進(jìn)不同盤徑絕緣子組合以提高絕緣子串的抗污穢能力[35]，通過添加氫氧化鋁（ATH）和氮化硼（BN）復(fù)合納米粒子以改進(jìn)硅橡膠耐電弧性[36]等。

2.4 母線等高壓導(dǎo)體

高溫高濕環(huán)境下，開關(guān)柜母線室母排尖端電場(chǎng)增強(qiáng)、絕緣凈距離降低，設(shè)計(jì)階段通常已經(jīng)納入考量，部分采用增加絕緣隔板的方式增加絕緣凈距離。由于自身非發(fā)熱熱源、熱容通常較低等特點(diǎn)，波動(dòng)工況下的絕緣隔板表面溫度通常低于母排而易吸濕凝露，反而導(dǎo)致閃絡(luò)概率增大[37]。更嚴(yán)重的情況，由于設(shè)計(jì)或安裝不當(dāng)，靜觸頭與母線搭接處長期受潮，將會(huì)導(dǎo)致搭接螺栓嚴(yán)重銹蝕甚至頭部銹斷、母排搭接接頭出現(xiàn)銅綠，局部發(fā)熱異常，逐漸發(fā)展為內(nèi)部出現(xiàn)明顯放電現(xiàn)象[18]。

隱患治理可以從以下幾個(gè)方面入手，例如母排拋光清洗后現(xiàn)場(chǎng)表面電刷鍍錫，不同部位的高壓導(dǎo)體采用不同的倒角工藝進(jìn)行處理，搭接處采用絕緣膠和絕緣包封盒雙層絕緣處理[11]；又如抬高電纜室底部平面，以防外部積水滲入，并對(duì)電纜溝四角設(shè)置用于通風(fēng)散熱的篦子型蓋板，封堵電纜進(jìn)線孔洞等[14]，從源頭上減少濕氣進(jìn)入母線室。

2.5 濕度控制方法

常見的濕度控濕手段大多采取加熱法，部分采用半導(dǎo)體冷凝法，還有研究人員提出干燥氣源置換法。目前，前兩種方法應(yīng)用較為廣泛，但均存在防潮死區(qū)和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并且需要優(yōu)化安裝位置、空氣流通路徑和控制策略才能充分發(fā)揮控濕作用。其中加熱法通過提高內(nèi)部空氣容納水汽的能力來達(dá)到控濕目的，由于柜內(nèi)空氣交換率較低，濕氣容易滯留、累積，并在高濕條件下溫度出現(xiàn)劇烈波動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致柜內(nèi)局部凝露，而且溫度過高不僅意味著高功耗，還會(huì)造成設(shè)備的絕緣老化問題[38]。而半導(dǎo)體冷凝除濕法，直接降低柜內(nèi)空間的絕對(duì)含濕量，破壞凝露形成條件，但無法應(yīng)對(duì)某些部件表面迅速降溫而先行凝露的情形。干燥氣源置換法基于以控濕為主、控溫手段做輔助備用的思想，利用轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)制備干燥氣源、輸送至開關(guān)柜各個(gè)隔室，進(jìn)行置換除濕，再配合加熱除濕技術(shù)實(shí)現(xiàn)全柜防潮、防凝露，目前該技術(shù)路線尚處方案階段[1]。

另外，對(duì)于增量開關(guān)柜建設(shè)項(xiàng)目，還可以考慮采用全絕緣充氣式環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)設(shè)備，例如六氟化硫（SF6）氣體絕緣開關(guān)柜或者利用混合氣體、干燥空氣、氮?dú)?、二氧化碳等作為絕緣氣體的環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜。對(duì)于高溫高濕高鹽等特殊環(huán)境應(yīng)用場(chǎng)景，可以重點(diǎn)對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)及絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以確保整柜滿足工頻耐受和雷電沖擊耐受絕緣水平[39]。

3 結(jié)束語

凝露是影響開關(guān)柜的安全和可靠運(yùn)行的重要因素之一，為了探究開關(guān)柜內(nèi)凝露的形成機(jī)理與防治方法，相關(guān)人員開展了大量的模擬計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、施工操作優(yōu)化以及加裝除濕設(shè)備等工作。本文結(jié)合華南地區(qū)氣象特點(diǎn)與凝露機(jī)理，對(duì)國內(nèi)開關(guān)柜凝露問題的理論和技術(shù)研究成果進(jìn)行了綜述，針對(duì)各關(guān)鍵部件總結(jié)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向、試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，并對(duì)比了幾種常見的溫濕度控制方法優(yōu)缺點(diǎn)，為電網(wǎng)企業(yè)管理現(xiàn)役開關(guān)柜設(shè)備以及采購新設(shè)備提供參考建議。主要有以下幾點(diǎn)。

（1）根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、柜內(nèi)設(shè)備與風(fēng)道布局，在滿足散熱需求的前提下，適當(dāng)提高防護(hù)等級(jí)，尤其要嚴(yán)格保障電纜室底部的密封性以防止水汽進(jìn)入。

（2）通過布置凝露監(jiān)測(cè)傳感器或加強(qiáng)巡檢力度，結(jié)合特征氣體和局放檢測(cè)手段，重點(diǎn)關(guān)注高凝露風(fēng)險(xiǎn)季節(jié)和長期處于備用或低負(fù)荷狀態(tài)的開關(guān)柜，排查部件缺陷和故障，保證設(shè)備選材及設(shè)計(jì)安裝合理性。

（3）對(duì)于在網(wǎng)開關(guān)柜，合理選擇位置布置監(jiān)測(cè)傳感器和適宜的除濕設(shè)備，破壞凝露形成條件，保證滿足溫升要求；對(duì)于新投運(yùn)的開關(guān)柜，采用具有更優(yōu)通風(fēng)效率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并盡可能安裝在自然通風(fēng)條件良好的區(qū)域，同時(shí)建議開展凝露和污穢工況驗(yàn)證試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)備性能，否則需要考慮采用全絕緣開關(guān)柜。