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高壓開關(guān)柜作為電能分配設(shè)備在電網(wǎng)運行中起著非常重要的作用，而開關(guān)柜的絕緣能力是開關(guān)柜能否安全穩(wěn)定運行的重要因素。高壓開關(guān)柜的絕緣能力除了本身的設(shè)計、材料和質(zhì)量因素外，柜內(nèi)運行環(huán)境的溫度、濕度和凝露等惡劣環(huán)境因素引起的開關(guān)柜絕緣事故屢有發(fā)生。

開關(guān)柜長期運行經(jīng)驗表明，柜內(nèi)凝露的產(chǎn)生會導(dǎo)致內(nèi)部絕緣性能下降，各類絕緣缺陷會逐漸發(fā)展為擊穿，釀成事故，對區(qū)域電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要影響。因此，解決開關(guān)柜凝露對開關(guān)柜安全運行及電網(wǎng)穩(wěn)定十分重要。

當前，高壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)日趨小型化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、帶電體的相間及對地距離縮小，因此對環(huán)境因素等要求相對較高。由于制造、運行環(huán)境等原因，現(xiàn)有開關(guān)柜多采用底板開通風口，后板和頂板密封的設(shè)計，加上運行條件差，電纜溝內(nèi)部積水嚴重而且通風不暢，特別是在相對濕度較大的沿海省份，溫度較高時水汽會上升至母線室而無法排出，溫度降低時容易在金屬和絕緣材料表面出現(xiàn)凝露進而導(dǎo)致爬電現(xiàn)象的發(fā)生。

在高濕度環(huán)境中，空氣介質(zhì)的絕緣性能大大下降，同時高壓電極在高濕度環(huán)境中非常容易發(fā)生局部放電；固體絕緣材料在高濕度環(huán)境下，其絕緣性能發(fā)生很大變化，在局部放電影響下，固體絕緣材料的老化容易加速，而固體絕緣材料的電老化和環(huán)境老化通常是不可逆的。

放電產(chǎn)生的高能量會使空氣中的氧氣被電離產(chǎn)生臭氧，其溶于水后具有很強的氧化性，從而加速絕緣材料的老化，使放電區(qū)域擴散。這一過程又會產(chǎn)生更多的臭氧，形成一個惡性循環(huán)。當材料的絕緣性能下降到一定程度時就會形成短路，最終導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，開關(guān)柜長期在高濕度、高污染環(huán)境中運行存在很大的絕緣故障隱患。

凝露的危害主要體現(xiàn)在開關(guān)柜內(nèi)部電力設(shè)備的箱體內(nèi)，如端子箱、開關(guān)機構(gòu)箱等。氣溫降低且濕度較大時極易在箱體內(nèi)部形成凝露，形成的水珠會附著在其內(nèi)部的金屬和塑料部分上，對設(shè)備造成的危害主要有以下幾點：

（1）在端子箱。機構(gòu)箱內(nèi)二次接線端子排上形成的露水對端子排上的金屬導(dǎo)電部位造成腐蝕，腐蝕較重或混入灰塵等其他雜質(zhì)后易造成交直流短路接地，直流接地對開關(guān)柜的穩(wěn)定運行造成了極大的危害。實際運行經(jīng)驗表明，直流接地多是有水附著在帶電部位上造成的，而且更嚴重的凝露會造成端子排上兩根二次線之間的短接，如果恰好是開關(guān)跳閘回路則會立即引起開關(guān)誤動作，造成停電事故。

（2）在開關(guān)或刀開關(guān)操動機構(gòu)上形成的凝露會腐蝕機構(gòu)內(nèi)的金屬部件，影響機構(gòu)的使用壽命，甚至因銹蝕而造成機構(gòu)卡澀，導(dǎo)致接地開關(guān)或隔離開關(guān)在分合時機構(gòu)不能運行到位，如果因此使得開關(guān)動靜觸頭慢分慢合，則會釀成極大的電力事故，尤其是開關(guān)久未操作時銹蝕現(xiàn)象會更加嚴重。

（3）開關(guān)柜一般更注重通風，所以室內(nèi)溫度、濕度受室外環(huán)境影響較大，而柜內(nèi)絕緣子多沒考慮防水性，在其上有凝露的話會降低其絕緣性，甚至可能導(dǎo)致爬電或閃絡(luò)現(xiàn)象，嚴重影響設(shè)備正常運行。尤其是有的設(shè)備處于停運狀態(tài)，其內(nèi)部溫度更低，更易在其表面形成凝露，此時一旦送電，將極易發(fā)生事故。

目前的仿真分析中，僅僅關(guān)注開關(guān)柜內(nèi)部的溫度分布，對于開關(guān)柜內(nèi)溫度、濕度耦合計算的數(shù)值模擬研究關(guān)注較少。

為了明確開關(guān)柜內(nèi)部凝露的形成過程，西安交通大學電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室、國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院的研究人員采用COMSOL Multiphysics軟件建立了三維高壓開關(guān)柜電磁場-溫度場-濕度場耦合計算模型，計算了開關(guān)柜在導(dǎo)體正常工作流過大電流時內(nèi)部元件的溫度分布，同時仿真研究開關(guān)柜在外界環(huán)境相對濕度為0.8時的濕氣擴散過程，得到開關(guān)柜內(nèi)部元件的相對濕度分布。

圖1 開關(guān)柜三維仿真模型

圖2 開關(guān)柜內(nèi)部溫度分布

圖5 增加加熱裝置后開關(guān)柜內(nèi)部溫度分布

仿真結(jié)果表明，斷路器觸頭盒表面溫度較低，濕度分布較高時，極易發(fā)生凝露。此外，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)采用加熱和通風裝置可以有效降低觸頭盒的表面濕度，提高觸頭盒表面溫度，是一種可以減少開關(guān)柜內(nèi)部元件凝露發(fā)生的有效方法。加熱和通風裝置的最優(yōu)布置方式為同時安裝在靠近觸頭盒和套管的開關(guān)柜柜壁上，對于降低觸頭盒表面凝露的效果優(yōu)于設(shè)置單一的加熱或通風裝置。

圖6 選取的觸頭盒和套管表面

圖9 增加通風裝置后開關(guān)柜內(nèi)部相對濕度分布

研究人員最后得到以下結(jié)論：

• 1）開關(guān)柜內(nèi)部的母排溫度升高最快，三相觸頭盒溫度分布不均勻，遠離隔板的觸頭盒溫度升高（最高為308K）均低于靠近隔板的觸頭盒溫度升高（最高為318K），主要是由于遠離隔板的觸頭盒與空氣接觸面積大，易于散熱。
• 2）絕緣材料的吸濕要快于金屬材料，觸頭盒因其局部的中空結(jié)構(gòu)不易排濕，因此其表面相對濕度更高，更容易形成凝露。
• 3）增加通風裝置可以有效地降低觸頭盒表面的相對濕度；局部增加加熱裝置可以有效提高觸頭盒表面的溫度，二者配合可以大大降低觸頭盒發(fā)生凝露的概率。
• 4）加熱裝置和通風裝置的最優(yōu)安裝位置均為同時靠近觸頭盒和套管的開關(guān)柜柜壁上，對于降低觸頭盒表面凝露的效果優(yōu)于設(shè)置單一的加熱或通風裝置。

以上研究成果發(fā)表在2019年第24期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“高壓開關(guān)柜溫濕度分布的三維數(shù)值模擬研究”，作者為李元、薛建議、任雙贊、劉晶、張冠軍。