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開關柜凝露現象機理分析研究
劉若溪1，白寶軍2，郭 沁3，耿江海4，程 序1，車 瑤1， 桂媛1，徐興全1，郭衛1 (1.國網北京市電力公司，北京100075； 2.鄂爾多斯電業局變電管理一處，內蒙古鄂爾多斯017000； 3.華北電力大學電氣與電子工程學院.河北保定071003； 4.河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北保定071003)
摘 要：開關柜內部產生凝露時，會使零部件腐蝕和電氣設備絕緣性能下降，引發設備絕緣閃絡等。針對上述現象，在人工環境氣候室內搭建了開關柜凝露觀測系統，記錄了開關柜內不同溫濕度條件下凝露形成時間。結果表明：凝露形成時間是由柜內溫度和相對濕度共同決定的，柜內溫度越高、相對濕度越大，凝露形 成時間越短。文中分析了含濕量與溫度和相對濕度的關系，得出含濕量隨溫度和相對濕度的升高而增大， 從理論上解釋了凝露形成時間與溫濕度之間的關系，證明了試驗結果的準確性。 關鍵詞：開關柜；觀測系統；凝露時間；溫度；相對濕度；含濕量
0 引言
開關柜作為開合、控制和保護用電設備的重要裝置，在電力系統發電、輸電、配電和電能轉換的過程中起著至關重要的作用。然而，在高溫高濕、低溫高濕等情況下，開關柜內部極易出現凝露現象導致零部件腐蝕和電氣設備絕緣性能下降，影響其機械、電氣性能，甚至導致絕緣件表面產生沿面放電而引發事故。 目前，國內外主要從凝露的危害及防凝露措施方面對開關柜等柜式電氣設備進行了研究。在凝露危害方面.文對開關柜和端子箱閃落、誤動作和停電等事故進行了分析，認為凝露現象引起零部件腐蝕、電氣設備絕緣性能下降以及二次線短接是導致事故發生的主要原因；文通過工頻耐壓、雷電沖擊等試驗，得出凝露會使設備電氣性能下降，并且凝露產生的電場畸變會使放電起始電壓降低。在凝露預防方面，文提出在設備表面涂覆干燥劑和超疏水材料進行防凝露，并通過試驗說明了該方法可減慢凝露的形成；文采用安裝加熱器、除濕機、轉輪除濕、電解水分等方法降低柜式設備內相對濕度，達到防凝露的效果;文利用溫濕度控制器實現戶外設備內溫濕度的智能控制，破壞凝露形成的條件，防止凝露產生。 由此可知，國內外尚未開展開關柜等柜式設備凝露發展規律的試驗研究，并且對凝露現象機理分析研究也相對較少，因此，文中以ABB UniGear ZS1開關柜為研究對象，在人工氣候環境試驗室搭建開 關柜凝露觀測系統，記錄開關柜內不同溫濕度條件下凝露形成時間，研究凝露的發展規律，并從空氣含濕量與溫度和相對濕度的關系對凝露發展規律進行理論分析。 1 凝露觀測系統凝露是由于高溫、高濕的氣體在遇到低溫物體時，當達到露點溫度而在其表面液化的現象。在電力系統中，凝露是指各種機構箱、配電柜和開關柜等高壓電路設備的柜體內壁表面溫度下降到露點溫度以下時，內壁表面會發生水珠凝結的現象。因此，進行凝露試驗時，需控制開關柜內溫度、濕度以及環境溫度。 文中首先搭建了凝露觀測系統，主要包括：人工環境氣候室、風機、溫度傳感器、開關柜、溫濕度控制器、加熱器、加濕器、水分檢測試紙、CCD攝像機、計算機，見圖1。其中，人工環境氣候室結構尺寸為8m×6m×4m，通過風機實現溫度控制，其溫度調節范圍為-20～40℃、精度為±0.3℃，用于模擬實際環境溫度；溫度傳感器測溫范圍為-20～70℃、精 度±0.2℃，用于檢測氣候室內溫度；開關柜結構尺寸為0.8m×l.34m×2.2m，作為實驗設備；溫濕度控制器通過連接加熱器和加濕器實現開關柜內溫濕度控制，其溫度調節范圍為-5～98℃、精度為±0.2℃；，相對濕度調節范圍為1%～98%、精度為±2%；水分檢測試紙用于檢測是否有凝露產生(當有凝露產生時，試紙將由橙紅色瞬間變為黃綠色)，CCD攝像機聯合計算機用于觀測并記錄柜體內壁凝露時間。
圖1 凝露觀測系統 2 試驗結果試驗過程中，保持開關柜內外溫差為20℃：，柜內溫度分別設定為10、20、30、40℃相對濕度分別設定為60%、70%、80%、90%，記錄開關柜內溫濕度及拒外溫度從設定值到柜體內壁形成凝露的時間，見表1。 表1 不同柜內溫濕度條件下凝露時間
提取數據曲線見圖2。
圖2 凝露時間與柜內溫濕度關系 由表1和圖2可知:當柜內溫度不變時，相對濕度越大，形成凝露所需時間越短。以柜內溫度為20℃為例，相對濕度為60%、70%、80%、90%的凝露時間依次為39、24、10、6min，可見，隨著柜內相對濕度的增大，凝露形成時間的減小速率逐漸越小。 當相對濕度不變時，柜內溫度越高，形成凝露所需時間也越短。相對濕度為70%時，柜內溫度為10、20、30、40℃的凝露形成時間依次為38、24、16、12min,由此可見，隨著柜內溫度的升高，凝露形成時間的減小速率也逐漸越小。 由表1中柜內溫度為30℃、相對濕度為60%時，凝露形成時間為27min，介于柜內溫度為20℃、相對濕度為80%時的凝露形成時間10min和柜內溫度為10℃、相對濕度為70%時的凝露形成時間38min之間可以得出：凝露形成時間與柜內溫度和相對濕度不是單一的對應關系，而是由它們共同影響。 3 理論分析為進一步分析溫濕度對凝露現象的影響規律，將濕空氣視為理想氣體，從濕空氣含濕量與其溫度和相對濕度之間的關系進行說明。 由道爾頓定律可知
而根據理想氣體狀態方程
可得
含濕量為單位質量絕干空氣所帶有的水氣質 量，其表達式為
相對濕度為濕空氣中的水氣分壓與同溫度下 水的飽和蒸氣壓之比的百分數，其表達式為
則含濕量H與相對濕度的關系為
式(1)-(6)中：p1，p，pg分別為濕空氣總壓(大氣壓)、水氣分壓和絕干空氣分壓，Pa；n,ng分別為水氣和絕干空氣摩爾數分別為水氣和絕干空氣質量，kg；M、Mg分別為水氣和絕干空氣摩爾質暈，kg/mol；H為濕空氣含濕量，g/kg；φ 根據Antoine方程可得水蒸氣飽和蒸汽壓計算公式為
式(7)中：Ps的單位為mmHg(lmmHg=133.28Pa)；t的單位為℃；由所研究溫度區間和精度選取參數，A為8.10765；B為1750.286；C為 235。
由式(6)、(7)可知，含濕量H打為溫度t和相對濕度的φ
圖3 含濕量曲線圖 由圖3可知，當相對濕度不變時，柜內溫度越高，空氣含濕量越大；當溫度不變時，相隨濕度越高，空氣含濕量也越大，并且，含濕量是由溫度和相對濕度共同影響的。 開關柜內外溫差保持不變時，柜內溫度一定，則柜體內壁溫度也一定，其對應的飽和含濕量也就相同，此時，若相對濕度越大，則空氣所包含的水分越多，更易在溫度相同的柜體內壁達到飽和而析出水分，凝露形成時間更短；而當相對濕度一定時，柜內溫度越大，則空氣含濕量也越大，高溫的空氣遇到柜體內壁時也更易形成凝露。因此，因此，可以從減小開關柜內溫度和相對濕度兩個方面防止凝露現象產生。 由圖3和表1還可得出，溫度降低時，空氣飽和所需的水分也減少，所以，當柜內空氣溫度很大時，即使相對濕度較小，也能在溫度較低的柜體內壁產生凝露，如表1中溫度為40℃、相對濕度為60%時，凝露時間為21mm;而柜內空氣相對濕度越高，濕空氣越趨向于飽和，當該空氣遇到溫度較低的柜體內壁時也能形成凝露，因此，當柜內空氣相對濕度很大時，即使溫度較低，也能產生凝露，如表1中相對濕度為90%、溫度為10℃時，凝露時間為9min。 4 結論文中在人工環境氣候室內搭建了開關柜凝露觀測系統，記錄了開關柜內不同溫濕度條件下凝露形成時間，并分析了含濕量與溫度和相對濕度之間的關系，得出如下結論： 1)凝露形成時間與柜內溫度、相對濕度不是單—的對應關系，而是由二者共同影響。 2)當柜內相對濕度不變時，柜內溫度越高，則空氣含濕量越大，更易在溫度相同的柜體內壁達到飽 和而析出水分,凝露形成時間越短。 3)當柜內溫度不變時，柜內相對濕度越高，空氣含濕量越大，也更易析出水分，凝露形成時間也越短。 |
的函數，不同溫度條件下的含濕量見圖
