|
《12kV高壓開關柜受潮凝露防治技術研究》
楊芳，潘岐澤 (廣東電網有限責任公司清遠供電局，廣東 清遠 511518)
摘要：針對12kV高壓開關柜受潮凝露現象會導致其內部電氣設備發生嚴重故障這一問題，文中對其受潮凝露防治技術進行了探討，并設計了研究方案。首先，從開關柜受潮凝露發生的機理出發，總結了目前3種主要的開關柜受潮凝露防治方法，包括加熱除濕法、冷凝除濕法和干燥空氣除濕法，并對它們的優缺點進行了簡要分析。其次，基于其中性能最優的干燥空氣除濕原理，對開關柜受潮凝露防治技術進行了研究，包括對干燥氣源技術的研究及其裝置方案的設計，以及柜內空氣強制流動技術的研究。然后，對基于干燥空氣除濕技術的開關柜受潮凝露防治監測和控制系統進行了方案設計。最后，給出了開關柜受潮凝露現象防治措施，并對其未來發展進行了展望，認為干燥空氣除濕技術具有廣闊的研究空間。該研究對開關柜受潮凝露現象防治研究具有一定的參考價值和指導意義。
關鍵詞：高壓開關柜；受潮凝露；干燥空氣除濕技術；監測控制系統；防治措施
0 引言
12 kV高壓開關柜作為一種廣泛應用到城市供電、配電系統的電力設備，其內部環境的溫度、濕度 的變化，以及氣密性的完備等都會影響其正常運行狀態。當開關柜進行檢修時，不可避免地會造成外部的潮濕空氣進人到柜體內部，從而導致開關柜的內部極易發生受潮凝露現象，若開關柜長期處于這樣一種環境狀態，則柜體內部極易發生各種惡性短路故障,包括單相短路、兩相短路，甚至是三相短路。此外，長期的受潮凝露會導致柜體內部的絕緣性能逐漸降低，導致各種絕緣缺陷逐漸暴露并最終發展成絕緣擊穿、沿面爬電等故障，從而釀成各類惡性接地事故，這嚴重影響到整個供電和配用電系統的穩定性，并降低了全系統的供電可靠性水平。
目前，對開關柜的受潮凝露機理的建模研究較為少見，大多建模過程將開關柜視為一個空的封閉金屬結構，沒有隔室、元件和局部封閉區域，且凝露都發生在柜壁上，這種建模過于理想化，與實際的開關柜結構、凝露部位可能隨處發生的情況有很大區別。此外，國外由于與國內存在設備差異和運行管理差異，對開關柜專門的受潮凝露建模和防治新技術研究較為少見。文利用數值模擬的方法對幾種密閉式開關柜內部發生的凝露現象進行了研究，通過建立數學模型分析了柜內相対濕度、布置加熱器、加裝電阻絲、添加保溫層等對預防受潮凝露現象發生的影響，表明柜體內部受潮凝露現象的發生通常與柜內初始的空氣相對濕度、空氣溫度、壁面與環境之間的對流換熱系數等因素有關，根據這些因素，一些防止凝露發生的措施被提了出來。文則設計并開發了一套配網開關柜防凝露管理系統，可利用其數據服務器對溫濕度監測數據進行智能分析，以判斷是否啟動開閉所內的除濕裝置，
可在一定程度上提高開關柜運行的穩定性和效率。
此外，文則針對開關拒內高溫故障問題，通過對現有開關柜溫度檢測方法的改進，設計了一種基于UHFRF1D溫度標簽的開關柜溫度監測系統，并通過張家口供電公司某220kV變電站進行了實驗驗證，表明該系統能較為真實地反映被測點溫度，可在一定程度上提高巡檢的工作效率。文通過分析溫濕度對髙壓開關柜絕緣性能的影響，提出了與SCADA接口的方法。基于此，針對環網開關柜經常出現的凝露問題，文則通過對環網開關柜長期運行數據的詳細分析，得出結論認為凝露問題是影響整個余杭供電局環網開關柜故障的主要原因。這主要是由于凝露現象的發生會造成間歇性放電，從而產生的高能量會導致空氣中的氧氣被電離產生臭氧。這些臭氧可對柜內絕緣性能進行長期腐蝕，最終達到一定程度后，會造成環網開關柜內相間短路或者對地短路從而引起惡性事故。文則針對封閉式金屬開關柜，在防凝露方法上存在的大量浪費電能的問題和露水凝結導致開關柜爆炸的安全事故問題分別進行了詳細研究。除此之外，文獻均從不同角度對開關柜內受潮凝露問題進行了探索研究，提出了一些凝露防治方法和對策，或開發了一些防凝露智能控制系統等。
目前，開關柜潮濕和凝露防治的研究中搭建的物理模型往往過于理想，這與實際的開關柜物理原型差別較大，這主翠是由于開關柜內部結構復雜，并且元器件眾多。因此，在開關柜的建模過程中不能過于理想化,要充分考慮實際空間結構的影響，優先選用機理分析方法進行數學建模，并在研究過程中，根據需要再結合測試分析方法進行深層次建模。總的來說，對開關柜的受潮凝露的防治技術還需要開展更多更深入的研究。
基于此，文中從開關柜受潮凝露發生的機理出發，總結了目前幾種主要的開關拒受潮凝露防治技術，并對它們的優缺點進行了總結分析。隨后，基于其中性能最為優越的干燥空氣除濕法，對基于干燥空氣除濕原理的開關柜受潮凝露防治技術進行了研究。最后，提出了開關柜的受潮凝露防治監測控制系統的設計方案，同時對開關柜內凝露現象的防治措施和應對策略進行了簡要總結和展望。該研究對開關柜內受潮凝露的防治研究具有一定的參考意義。
1 開關柜凝露現象發生機理
1.1 凝露成因
開關柜內發生凝露現象的過程中，由于柜內空氣中的水汽已經超過了其最大的包容能力,使得水汽在達到露點溫度后就立刻在柜內低溫物體的表面液化成為液體，這一濕空氣液化成水珠的現象稱為凝露，其中關于凝露點溫度的計算將在文1.2節重點介紹。總的來說，凝露現象的發生取決于2個 因素：柜內環境相對濕度F（%RH）和柜內環境溫度T（℃）的變化當F越高時，且當T變化越大時，柜體內部越易發生凝露現象。
因此，對于金屬封閉的開關柜而言，當柜外溫度急劇下降，而此時柜內溫度也隨之下降，導致水蒸汽在柜內壁表面形成冷凝結露，此種情況較為常見;此外，當拒內溫度較低，而此時柜外溫度急劇上升時，也可導致柜體和內部元器件表面發生冷凝結露,這種情況一般發生在冬季環境氣溫急劇變化的時候。總的來說，當柜外空氣相對濕度越高，柜內露點溫度越接近于環境的空氣溫度時，越易發生凝露；當柜體內發生凝露時，柜內露點溫度將始終低
于環境溫度。因此，防治柜內凝露現象的發生關鍵在于控制發生凝露部位的表面溫度，使其溫度髙于發生結露的凝露點溫度。
如前所述，當柜內發生凝露現象時，其帶來的主要危害首先是使柜內的絕緣性能逐漸下降，經過長期的腐蝕之后，將引發絕緣件閃絡和爬電，并最終喪失絕緣性能。因此，根據對凝露現象發生機理分析可知，控制凝露現象發生的主要因素為：溫度和濕度。根據這2個因素，下面闡述一下凝露點溫
度的計算方法。
1.2 凝露點溫度計算
基于文1.1節對凝露現象發生機理的闡述，并根據建筑門窗玻璃暮墻熱工和計算規程1,假設結露時的露點溫度為Td，℃；柜內環境溫度為T，℃；相對濕度為F，%RH。則計算步驟如下:首先,計算出T ℃空氣在水面（T>0
℃）或冰面（T≤0 ℃）的飽和水蒸汽壓力（hPa），公式為
式（1）中：E0為0 ℃空氣的飽和水蒸汽壓力；a、b為系數，T>0 ℃時，取水面值a=7.5，b=237.3；T≤0
℃時，取冰面值a=9.5，b=265.5。
然后，根據式（1），計算環境溫度為T ℃時，空氣在已知的相對濕度F（%RH）下的水蒸汽壓力E，即
最后，根據式（1）、（2）,可得到柜內環境溫度為T ℃、空氣相對濕度為F（%RH）下的凝露點溫度Td的 計算公式，即馬格努斯修正公式為
式(3)中：Td為露點溫度，℃；E的含義同上，單位為hPa；a和b為修正參數，含義同上；E為空氣的飽和水蒸汽壓，hPa；E0為氣溫為0 ℃時的飽和水蒸汽壓，取E0=6.11 hPa。
2 主要的開關柜受潮凝露防治技術比較
2.1 加熱除濕技術
傳統的加熱除濕方式通過加熱器提高開關柜內的溫度，提高空氣溶解水分的能力，以達到降低相對濕度的目的，使凝露不易發生。這類傳統的防凝露裝置主要分2種：—是采用電源控制開關，手動長期投人柜內加熱器的運行方式；二是采用自動控制裝置投切加熱器。采用加熱除濕技術時，由于水分仍然保留在柜內，當外部環境大幅降溫時，開關柜的金屬外殼作為熱的良導體或靠近外殼的端子，其溫度也將隨之迅速降低而達到露點溫度，則此時濕氣仍然可轉化為凝露，并凝結在電氣設備表面，從而達不到除濕的目的和效果。
為解決上述問題，文中開發了一種半導體除濕器。在該除濕器內，利用溫差凝露的原理，通過除濕器內置的半導體元件降低凝露表面金屬板的溫度，使得水汽凝露在金屬板上，水滴則可自流至排水管，并通過排水管排到開關柜外部，從而降低了開關柜內部的水汽含量。但該方法仍存在一定的局限性，這主要是由于半導體的除灄功率很低，其次是開關柜不是完全密封的，外界環境濕度的變化對開關柜內的影響很大，半導體除濕效率不高的
情況下完全不足以抵消開關柜外部溫度增加給開 關柜內部帶來的濕度變化。
2.2 冷凝除濕技術
文2.1節中提到的加熱除濕法不能很好地解決環境溫度變化較快時形成的凝露問題，從而會在一定程度上危害到設備的安全運行。基于冷凝除濕方法的新型除濕裝置可在一定程度上解決此問題，其利用制冷片作為核心部件，冷端產生非常低的溫度，使空氣中水分冷凝在凝水面，并通過排水孔排出柜外。該方法在環境溫度變化緩慢的情況下時可很好地避免產生凝露。但如果環境溫度變化較快時，此時柜體內的某些部位的溫度快速降低至露點形成凝露，而此刻柜體內部的濕度反而會有所下降，這就導致除濕裝置無法判斷到凝露已經產生，從而無法快速消除凝。為此，文中提出了一
種熱電冷凝除濕技術，具有如下優勢：體積小、穩定性能高、無需制冷劑和干燥劑、環境友好等，使得該技術在除濕領域具有一定的潛在價值。 2.3 干燥空氣除濕技術 為克服前面2種傳統除濕技術存在的不足，干燥空氣除濕技術近年來被提出。該方法主要以輪轉除濕機作為除濕裝置，通過除濕機不斷向開關柜內輸送干燥的空氣，以置換掉柜內的潮濕空氣，該過程本質上相當于一個換氣過程。因此，干燥除濕技術具有除濕速度快、效率高、操作安全方便、維護 量低等特點。此外，該方法還具有除濕能力大的優勢，不僅能夠有效防治柜內凝露現象的發生，還可有效改善配電房內的潮濕環境。當使用干燥空氣 除濕法時，由于柜內并無除濕元件，因此開關柜在維護時不需要停電，其安全性也得到了提高。經實踐證明，通過干燥空氣除濕方式可有效克服傳統除濕方法存在的不足，并可提高開關柜的絕緣性能，使得開關柜安全運行的時間大大提升，尤其是對于12～40.5 kV金厲封閉開關柜內的除濕更具指導意義。
2.4 技術比較 目前對開關柜的受潮凝露防治技術的研究，存 在分散、持續性差的特點，創新性并不是很高。通 常情況下，開關柜防潮防凝露基本采用加熱方法，少量使用半導體冷凝除濕方法，但這2種除濕技術 存在下述缺陷。
1）除濕設備均布置在開關柜的高壓隔離室內，發 生故障時一定要進行停電操作才能處理，這無疑增加了計劃外的停電時間，增加了工作量和作業風險。
2）冷凝除濕在低溫高濕時會容易凝霜，除濕效 果幾乎為零。
3）加熱方法在高溫高濕時存在溫度過髙、加速 絕緣老化的弊端。
4）傳統除濕方法精細化程度欠缺，基本沒有關 注到開關柜結構對除濕效果的影響。而事實上，開
關柜內空間狹小，內有絕緣件、開關元件、CT/PT、銅 排、電纜頭等，元件多、形狀和材質不一，空間不規 則，內部存在空氣流通不暢的小空間，柜內各處的溫度存在差異等等，若不對這些因素進行研究，則防潮防凝露無法做到全面和徹底。
總的來說，目前開關柜使用的除濕方法主要有3種：加熱除濕法、冷凝除濕法和干燥空氣除濕法。其中加熱除濕法的使用最為廣泛，冷凝除濕法是近年來才逐漸推廣使用的一種方法。由于這2種方法都存在明顯缺點，需要研究更加先進的有創新的除濕方法。因此，第3種方法，即干燥空氣除濕法被提了出來。相比前2種方法，干燥空氣除濕法的性能更加優越。3種除濕方法的對比，見表1，從表1可看出，干燥空氣除濕法優勢明顯。
3 基于干燥空氣除濕原理的開關柜受潮凝露防治技術研究
3.1 干燥氣源技術研究 干燥氣源技術進行除濕時，采用轉輪除濕機， 其基本原理見圖1。在圖1中，干燥空氣除濕技術采用髙吸濕能力的硅膠做成蜂窩式結構的除濕轉輪， 轉輪分為吸濕區和再生區，空氣中的水分在吸濕區
表1 3種除濕方法的對比分析
被除掉后，風機將干燥后的空氣送出，吸收了水分 的轉輪部分轉動到再生區，這時從逆方向送入的再生用空氣(溫風)將水分驅除，使轉輪恢復吸濕能力，以完成持續不斷的除濕操作。
圖1 轉輪除濕技術基本工作原理
3.2 干燥氣源裝置方案設計
基于圖1,采用轉輪除濕機作為干燥氣源的裝 置,其設計結構組成見圖2。
圖2中，處理空氣為從循環進氣口進人,經轉輪 吸收水分后，變為干燥空氣，進人氣壓調節與溫度
調節裝置，在這里氣壓進行升高便于輸送，對溫度進行調節以適應開關柜防凝露防潮的要求和運行 溫度的要求；從氣壓與溫度調節裝置出來的干燥氣 體經過開關柜供氣閥門(VS1)控制，向開關柜供氣，氣體從開關柜排風口或縫隙流散到室內，再通過循
環進氣口進入，形成循環，開關柜和室內空氣的水 分被吸收，變得干燥。在開關柜不需要用氣或氣源 充足的情況下，通過室內供氣閥門(VS2)進行供氣，以調節室內環境。轉輪吸收后的水分則通過再生
排風排出室外。
圖2 干燥氣源裝置基本組成示意圖
3.3 柜內空氣強制流動技術研究
通過調研和査閱文獻資料，目前階段，尚未發 現有關于柜內空氣強制流動特性的深人研究，因此，在采用傳統的除濕方法時,往往存在防潮死區；而采用干燥空氣除濕法的好處在于,可以充分利用
供氣系統的氣壓，使得柜內空氣強制流動，實現柜內整個空間均有干燥空氣流通，消除防潮死區；同時，通過噴嘴角度布置，驅動空氣產生旋轉流動增強除濕效率，可向特定狹小部位供氣，實現全柜防
潮、防凝露。為實現這一個非常關鍵的研究，可通 過遇布柜內的傳感器監測數據進行比較分析，以找 出最優的噴嘴和最佳的安裝角度。干燥氣體經噴 嘴進人柜內的設計原理，見圖3。
圖3 干燥氣體經噴嘴進入柜內的設計原理
4 監測和控制系統方案研究
基于文3.1節，開關柜的受潮凝露防治重點還在于研發設計一套監測控制系統，用于監控氣源和配氣系統的運行，并能根據開關柜溫濕度采集數據來計算凝露點溫度和給出控制值，以達到控制柜內
溫濕度的目的，使其遠離凝露點；同時，系統還應實現遙測、遙信、遙調和遙控功能，并實現移動設備上 微信號應用，以隨時査詢數據接收預警信息。具體而言,監測控制系統基本組成包括服務器、軟件、控制器、通信網絡，實現對整套裝置的智能管理，其拓撲結構見圖4。
圖4 監測控制系統基本組成拓撲結構示意圖
此外，圖4中所示的監測和控制系統還必須具 備以下功能：
1）控制與調節。除濕機啟動/停止、供氣總閥門 開/閉、各柜配氣閥門開閉、溫濕度調節、氣壓調節。
2）防誤和故障導向安全。供氣空氣濕度高關閉 供氣閥門。
3) 轉輪堵塞風壓小報警。
4) 網絡化應用、“四遙”和移動應用：通過監控系 統配置專門開發的軟件實現。
如圖3所示，監控系統可通過各傳感器監測室內外溫濕度、開關柜內溫濕度、轉輪除濕機內風壓及溫濕度、干燥氣體出口溫濕度。
5 開關柜受潮凝露防治措施及展望
5.1 防治措施
目前，一套完整的防凝露系統通常由空調、除 濕機、區域環境控制、空氣循環系統、安全保護、排
水系統、系統自動檢測等組成。在該系統中，可通 過引人新型的除濕方法和技術，使得防凝露系統的除濕性能大大提升，比如，文中重點研究的干燥空氣除濕方法。因此，引入新型的除濕技術是防治開關柜受潮和凝露的一種有效的應對策略。
防凝露措施應當在結合凝露產生的機理和變電站高壓開關柜的運行特點之后根據實際需要進 行執行,且在執行的過程中需要通過對現存的防凝露措施中存在的問題進行清晰地認識，然后采取有針對性的改進措施來設計開發新型的高壓開關柜防凝露系統，從而能夠取得較為良好的效果。
在髙壓開關柜防潮濕和凝露方面，可采取如下 防治措施：
1）結合實際開關柜的結構特點和運行環境，合 理選用空氣置換法，即文中介紹的干燥空氣除濕
法，去除柜內的濕空氣，置換成更多的潔凈、干燥的新空氣，并將潮濕的空氣及時排出柜外，使得柜體內最終可充滿干燥空氣。
2）在進行空氣置換時，應確保柜體外部或電纜溝內的潮濕空氣難以進人到柜體內部，防止二次凝露現象發生。
3)當使用干燥空氣除濕法時，可同時配合使用加熱除濕法以此來降低柜內的空氣濕度。
針對12 kV金厲封閉開關柜，還可采取如下措施防止潮濕和凝露現象發生:①對柜內通風道進行
優化設計，科學、合理地布置通風道的路徑、進風口 的位置、出風口的位置等；②根據開關柜的實際結 構,對柜內各類溫濕度傳感器進行科學、合理地布 置,確保柜內的密封性達到一定的要求，尤其是電
纜溝的密封性，避免由于密封性不足導致的柜內電氣設備絕緣性能降低，發生沿面放電、閃絡、燒毀等事故；設置科學的指令，制定合理的控制策略，控制 柜內各式傳感器能有效檢測溫濕度等環境數據，并
使開關柜能執行不同的控制策略，從而準確地、快速地投切除濕裝置。此外，在文中，通過對幾種 封閉式開關柜的潮濕和凝露防治方法進行數值模 擬研究，表明合理、科學地布置柜內加熱器的位置
可顯著提髙實際的加熱除濕效果，以有效防治凝露現象的發生。
總的來說，在開關柜潮濕和凝露防治研究方面，通過制定合理的防治措施，可提高除濕效果，而
選擇合適的溫濕度控制器也顯得至關重要,該類控 制器最好可自動調整溫濕度啟動值，并具備監測值異常的報警功能，如文中提到的在日溫差較大 的地區或時段、髙濕度地區或季節、雨季或高濕天氣等情況時溫濕度控制器應當如何投切和使用。 5.2 展望 未來的開關柜受潮凝露新技術的研究趨勢，將 會是綜合集成多種智能除濕技術，最終實現創新除 濕防凝露技術的綜合應用。近年來，通過結合物聯 網技術、智能控制技術、“互聯網+”等技術，已逐步 將目前的開關柜防潮濕和凝露的分散管理局面轉變為集中監控管理，該管理方式的轉變將能及時發現除濕故障和濕度超標，并實現近凝露點預警，從而將開關柜的運維管理提升到了一個新的高度，確保設備的安全運行，同時使得開關柜的巡檢維修效 率大大提高。
6 結語
文中從開關柜潮濕和凝露現象產生的機理出 發，總結了目前應用的3種主要的除濕方法,包括加熱除濕法、冷凝除濕法和千燥空氣除濕法。在這些
除濕方法中，干燥空氣除濕法具有明顯的優越性。 文中以干燥空氣除濕法為基礎研究了開關拒受潮凝露防治技術，包括干燥氣源技術研究和氣源裝置方案設計，以及柜內空氣強制流動技術研究。又進一步提出了開關柜受潮凝露防治監測控制系統的設計方案和開關柜凝露現象的防治措施。該研究對于高壓開關柜受潮凝露防治研究具有一定的參
考意義。
|
