隨著經濟發(fā)展和城市建設的不斷推進、城市用電負荷密度的增加和城市建設美化要求的提高，越來越多的城市變配電設施從戶外轉向室內，電力輸送線路也從架空敷設轉向地下電纜溝敷設。通過對現有變配電站高壓開關柜運行故障分類分析發(fā)現，開關柜內空氣凝露是引起絕緣強度下降、引發(fā)開關柜故障的主要因素之一。

本文通過對高壓開關柜內空氣凝露原因的分析，提出了通過消除開關柜室與電纜溝內空氣溫、濕度差的技術方案，解決電纜溝內的凝露問題，從而保證高壓開關柜內不出現因凝露而產生的閃絡，防止運行故障的發(fā)生。

1 高壓開關柜運行環(huán)境現狀分析

現有變電站開關室采用的是機械通風、空調降溫、除濕機等方式，滿足變電站全年大部分時段的要求。但對于某些特殊時段，由于室外氣候的突變（主要指空氣溫度、濕度以及含塵濃度的變化），會引起電纜溝（如圖1所示）和開關柜內電氣元器件或電氣盤柜結構件上產生凝露，造成設備的絕緣性能大幅度降低，乃至擊穿，引起設備銹蝕，加速設備老化，同時還可能產生局部放電，損壞元器件，使設備更容易發(fā)生故障，增加修理的成本，降低電網安全運行概率等。

圖1 電纜溝蓋板凝露現象

1.1 揚州地區(qū)氣候特征

因揚州地處江蘇省中部、長江與京杭大運河交匯處、水系發(fā)達，位于河流周邊或地處低洼地帶的變電站的土壤及空氣中水分相對含量較高。同時，揚州屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，夏季具有江南梅雨氣候，存在于外界空氣中的水蒸氣慢慢滲入設備內，導致電纜溝、開關柜中的水蒸氣含濕量逐漸上升，極易產生凝露。

1.2 開關柜運行環(huán)境特征

1）開關柜進線電纜溝

采用電纜溝進線、開關柜地面布置方式，開關柜室與室外大氣相通，室內外溫差變化較大。而電纜溝處在地下，其內部的溫度則更多受土壤溫度影響而變化較小。但因電纜溝的溝底、溝壁水分滲透蒸發(fā)，溝內的空氣相對濕度較大，其露點溫度與溝內空氣溫度差較小，通常在9℃～12℃。

冬季當開關室內的溫度低于10℃時，電纜溝內的潮濕空氣將在電纜溝蓋板內側及開關柜底板形成凝露；夏季當室外潮濕空氣進入室內時，室內空氣的露點溫度升高，當其超過電纜溝蓋板溫度時，室內空氣將在電纜溝蓋板上表面結露。

2）開關柜結構分析

《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》12.3.2.2中規(guī)定，為防止開關柜火災蔓延，在開關柜的柜間、母線室之間及與本柜其它功能隔室之間應采取有效的封堵隔離措施。因開關柜本身就缺少空氣流通條件，導致進入到設備內部的水蒸氣不能自行排出，夜晚當金屬壁板溫度低于空氣露點溫度的時候，就產生了凝露，而白天凝露蒸發(fā)后變成水汽，濕空氣又長期積聚，凝露將反復出現。

《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》12.3.1.6中規(guī)定應在開關柜配電室配置通風、除濕防潮設備，防止凝露導致絕緣事故。常見的開關柜溫濕度控制器裝于開關柜的上柜門面板上，溫濕度傳感器嵌入控制器內，加熱器安裝于開關柜后柜側壁上，無法根據溫濕度有效起控加熱器。當開關柜內外的空氣溫差較大時易在開關柜內引起凝露。

3）開關柜室環(huán)境分析

常規(guī)的開關柜室通風系統(tǒng)運行時，室外空氣經進風百葉或門窗縫隙等進入室內，吸收室內開關柜等設備散發(fā)的熱量后，經風機排出室外。因缺乏溫濕度聯鎖控制系統(tǒng)，通風系統(tǒng)的起?？刂菩柽\維人員手動操作，且揚州地區(qū)濕度較高，春秋季節(jié)尤其是雨季空氣濕度大，冷熱交替變換頻繁，高濕空氣無法經通風系統(tǒng)有效排出，使得開關柜長期處于高濕環(huán)境。

1.3 凝露對開關柜的影響分析

1）對空氣絕緣的影響

研究表明，當溫度保持不變，球間隙放電電壓在80%RH以下低濕條件下，隨著相對濕度的增加逐漸增加；在80%RH以上高濕條件下，隨著相對濕度的增加逐漸減小，高濕并不會造成放電電壓嚴重降低。因此，空氣相對濕度小于95%RH時對開關柜的空氣絕緣沒有顯著的影響，但有凝露時，球間隙放電電壓幾乎降為正常值的一半。

2）對導體的影響

大量的開關柜內絕緣故障分析發(fā)現，故障開關柜有大量斷路器手車觸頭及母排氧化現象，是潮濕空氣腐蝕作用的結果。斷路器手車的動靜觸頭氧化后，一方面會有粉狀氧化物落在觸頭盒內，降低爬電距離；另一方面加大動靜觸頭之間的接觸電阻，易發(fā)生熱故障，發(fā)熱后絕緣材料受熱分解，絕緣性能下降。

3）對絕緣材料的影響

開關柜的絕緣件有絕緣支柱、母線套管和觸頭盒3種，通常采用環(huán)氧樹脂壓鑄而成。在潮濕環(huán)境下，由于材料內部結構基團極性及吸水性，容易與水分子結合形成氫鍵，使導電性增加，表面電阻率和體積電阻率降低。

凝露會在絕緣材料表面形成結晶水，當空氣中粉塵溶解于結晶水后，由于局部電子的快速運動和結合，會在絕緣材料表面形成小電弧燃燒，破壞絕緣材料的表面絕緣。隨著不斷分解效應和閃絡效應的累積，絕緣表面會形成灰白色的粉末印痕徹底破壞絕緣性能，并最終導致設備相間或對地短路。

根據對揚州地區(qū)的變配電站運行故障的匯總分析，電纜溝內潮濕凝露與開關柜絕緣性能下降的相關性較大，因此消除電纜溝內的潮濕凝露有利于防止開關柜出現凝露引起絕緣下降。

2 凝露機理分析

根據空氣動力學理論，借助濕空氣焓濕圖（如圖2所示），分析凝露的機理。首先介紹關濕空氣的3個概念，即含濕量、相對濕度、露點溫度。

濕空氣是指含有水蒸氣的空氣；含濕量和相對濕度均是表征濕空氣中水蒸氣含量的參數，含濕量是表示每千克干空氣中水蒸氣的含量，是表示水蒸氣含量的絕對值，在焓濕圖中為橫坐標表示。

圖2 濕空氣的焓濕圖

相對濕度（RH）是表示濕空氣的絕對濕度（含濕量）與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度（最大含濕量）之比，是表示空氣中水蒸氣含量相對值，在焓濕圖中為一系列拋物線。飽和空氣是指一定溫度和壓力下，能夠容納最大限度水蒸氣的濕空氣狀態(tài)，其相對濕度為100%，在焓濕圖中位于最下方。

露點溫度是指將空氣在含濕量和氣壓都不改變的條件下，將濕空氣冷卻到飽和時的溫度，在焓濕圖中與相對濕度100%對應的縱坐標溫度即為該含濕量對應狀態(tài)下的露點溫度。

如果濕空氣接觸的物體表面溫度低于該空氣的露點溫度，空氣將熱量傳遞給接觸的物體，空氣溫度下降，同時其相對濕度提高，物體表面溫度升高，但兩者升高速率不同，通?？諝鉄崛萘康?，降溫速度大于固體物體吸熱后的升溫速度。當空氣溫度降至露點溫度時仍高于物體表面溫度，空氣溫度將繼續(xù)下降，此時空氣中的水蒸氣將從空氣中以液態(tài)形式析出，進而在物體表面形成凝露。

通過上述分析可以發(fā)現，形成空氣凝露的條件是濕空氣（水分）、物體與空氣的溫差，如果兩個條件都不滿足的時候，就不會出現凝露。

3 防止凝露發(fā)生的措施

根據凝露產生的主要原因，從減少水分進入、防止溫差產生這兩個方面，有效阻止電纜溝內凝露的產生。

3.1 控制電纜溝與開關室的溫度差

控制電纜溝內空氣溫度與其上開關室的空氣溫度差，減少凝露發(fā)生，最直接的辦法就是將二者的空氣進行有效的混合。開關室的熱特性決定了開關室上部區(qū)域的空氣溫度要高于開關室下部的溫度，因此將開關室頂部溫度相對較高的空氣通過通風設備送入電纜溝內，與電纜溝內的空氣混合后，空氣溫度升高，相對濕度下降，并通過排風口再次排入開關室，從而在保持電纜溝干燥的同時，也使開關室內的空氣溫度更趨均勻。

3.2 維持開關室內的溫度均勻

室內溫度場分布的均勻性主要取決于室內的氣流組織，維持室內合理的氣流組織是維持室內溫度均勻的重要途徑。

為了有效地控制室內的氣流組織，系統(tǒng)采用正壓送風、自然或機械排風的氣流組織。根據開關室的電氣設備發(fā)熱特性，從開關室下部送入較低溫度的空氣，這些空氣沿地面擴散，蔓延至整個房間，到達開關柜后，吸收開關盤柜的熱量后緩慢上升，在送風設備的壓頭與開關設備散熱形成熱壓雙重作用下，送風源源不斷地補充到發(fā)熱的開關柜處，而沒有散熱的開關柜因少了設備發(fā)熱引起的熱壓作用，送風達到該區(qū)域的量就較少，從而保證了開關柜間周圍空氣溫度的均勻性。

3.3 維持開關柜內外的溫度均勻

為了防止熱濕空氣在開關柜內積聚，應保持開關柜內外的通風順暢?，F有部分開關柜沒有設置必要的通風裝置，一旦有潮濕空氣進入，難以有效及時排出，隨著柜體內外的溫度變化，有產生凝露的危險。

在制造開關柜時，應根據開關柜內電氣設備的功能和防塵、防潮的要求，設置合理的通風設施，如定制預留噴氣孔，利用過濾進風機加壓，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(qū)；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。

4 工程技術方案

4.1 解決方案設計

基于上述分析結果，本文提出的系統(tǒng)方案如圖3所示。系統(tǒng)設計思路：將開關室上部區(qū)域的室內空氣（必要時引入部分室外新風）根據各自參數和室內溫、濕度控制要求，按比例混合后經環(huán)境控制設備（具有過濾、加壓、分配、加熱、降噪等功能）處理加壓后，送入電纜溝內。

圖3 電纜溝進線開關柜室控溫防凝露方案圖

進入溝內的空氣與圍護結構墻體、地面進行對流換熱后，送入的空氣溫度得到降低，而溝內的空氣溫度得到提升，降低了溝內空氣濕度；源源不斷送入的空氣使電纜溝的壓力上升，通過在電纜溝與開關室開設的防火通風口進入開關室，相較于送入電纜溝的空氣溫度得到降低，與開關室下部空氣混合后，使開關盤柜下部區(qū)域空氣溫度趨于均勻。

隨著運行時間的延長，開關室上部空氣狀態(tài)參數超過設定值時，系統(tǒng)自動調整回風和新風比例，同時通過自然排風口，將上部高溫的熱濕空氣溢出室外。

4.2 工程實際運行效果

基于上述設計思路，將環(huán)境控制設備、排風裝置等與室內溫濕度傳感器集成在一個智能系統(tǒng)平臺，并固化在環(huán)境控制設備上。通過監(jiān)測開關室、電纜溝和室外大氣的狀態(tài)參數，自動調整新風（室外進風）、回風（開關柜頂部區(qū)域空氣）風量，從而阻止室外大量熱濕空氣的侵入，保持室內干燥，徹底杜絕凝露的發(fā)生。

為檢驗上述方案的實際運行效果，在揚州110kV和220kV電纜溝進線的變電站高壓開關柜室，安裝了上述控溫防凝露裝置，如圖4所示。

圖4 安裝控溫防凝露裝置的開關柜室

為檢測運行效果，在該系統(tǒng)起動前后分別測試電纜溝和開關室的運行參數，對比結果見表1。

表1 系統(tǒng)應用前后溫濕度對比表

表1數據表明，安裝控溫防凝露裝置后，通過控溫防凝露裝置內的電加熱器運行時間，降低電纜溝內空氣的相對濕度，可促進開關室和電纜溝內的溫濕度趨于均衡，減少電纜溝內潮濕空氣通過電纜接線孔進入開關柜，從而防止開關柜內電氣元件表面的閃絡現象發(fā)生。系統(tǒng)運行后電纜溝蓋板凝露情況如圖5所示，對比圖1可以發(fā)現，電纜溝蓋板背面凝露完全消除。

圖5 電纜溝蓋板背面凝露情況（運行后）

在電纜溝進線的開關室安裝控溫防凝露裝置后，除了上述溫濕度參數得到準確控制外，該系統(tǒng)帶來的附加效應還表現在以下幾個方面：

1）有效阻止室外熱濕空氣的侵入。當室外空氣處于高熱高濕狀態(tài)時，控溫防凝露裝置通過減少或關閉新風進風口，采用大比例回風或短時全回風系統(tǒng)運行，阻止熱濕空氣進入，防止凝露現象出現。

2）系統(tǒng)運行能耗顯著下降。夏季利用電纜溝內天然的冷卻能力，冷卻室內空氣，排除開關柜本體的散熱量，減少了空調冷卻所需能耗。

3）減少變電站開關柜室的運行維護工作量。由于開關柜室維持微正壓狀態(tài)，室外空氣的進入得到有效地控制和處理，隨室外空氣進入室內的灰塵量也大大減少，開關站地面和盤柜表面的積灰可能性下降，既能預防因灰塵積聚產生的閃絡，也減輕了運行維護工作量。

結論

本文通過對高壓開關柜運行故障的分析，發(fā)現潮濕凝露是導致開關柜故障的重要因素，而電纜溝進線的開關柜，電纜溝潮濕又是引發(fā)開關柜凝露的主要原因。

本文提出的工程技術解決方案，通過降低電纜溝與開關柜室的溫濕度差，消除電纜溝的凝露，經工程實踐檢驗，達到了預期的效果，能夠有效防止開關柜凝露的發(fā)生，降低開關柜因運行環(huán)境而發(fā)生故障的概率，為變配電站的安全穩(wěn)定運行創(chuàng)造了條件。