开关柜凝露问题研究的现状与进展

开关柜凝露问题研究的现状与进展

刘焕国

山东汇能电气有限公司 山东淄博 255000

摘要：开关柜凝露问题是我国电力行业的一个关键问题。通常在实际工作中，主要应对方法有加装除湿装置、改善密封完备性与通风条件。近年来对于应用于凝露和污秽工况的在役设备技术升级、新设备研制和性能检测方法有了更深入的研究。文中着重总结了开关柜及其内部关键绝缘件凝露问题控制的研究进展，并对开关柜凝露问题提出了一些建议。

关键词：开关柜；凝露；故障；防治措施

前言

目前，探讨分析变电站内开关柜凝露问题及其治理方法的研究有很多，这些研究成果分别集中于部件凝露老化试验、监测控制和检测方法、防凝露涂料开发与验证、空气流动和电场仿真计算与结构优化等，较少系统性综述。本文探讨了凝露问题的防治技术，以及对相关试验研究方法进展进行综述。

1、凝露机理

凝露问题是一种常见的自然现象。当开关柜内部空气绝对湿度较高，而设备或物体表面温度变化至低于露点、使得局部空气水蒸气含量达到饱和时，湿空气中的水蒸气便会在表面析出、凝结成水滴[1]。

2、关键部件失效问题与应对措施

2.1箱柜

箱柜相关的主要应对措施有结合历史运行经验或仿真计算结果，优化柜体通风结构和设备布置，并保证柜体密封性，改善通风效率，具体如下。

凝露仿真方面，考虑到开关柜通常采用下进风上出风的散热形式，并将风机设在柜体的中插板、断路器室顶部或母线室顶部，多数仿真模型物理结构以此为基础设定空气传质的进出口边界条件。通过计算不同凝露条件下触头盒局部电场分布发现，凝露导致的电场强度畸变不足以直接击穿空气，进一步结合周围环境分析发现事故变电站附近存在煤矿企业，含硫含氮的工业粉尘易在密闭空间内堆积形成干污秽，高湿度条件下形成凝露时则吸水、润湿形成导电溶液，最终导致电晕放电和腐蚀问题，增加击穿概率。因此建议控湿防尘双管齐下、同时尽量将加热器和通风装置设置在靠近电缆室柜壁上。

2.2穿柜套管及触头盒

开关柜穿柜套管和触头盒多采用环氧树脂为主绝缘介质，两者都属于“插入式”的电极布置方式，基体和法兰边缘电场十分集中。若套管或触头盒同时存在设计或安装缺陷及凝露水珠，则会形成局部集中电场，出现局部绝缘放电现象，造成绝缘材料(尤其是触头盒搭接缝处)热分解与电分解，同时触头触指和内部金属嵌件受潮氧化产生铜绿。长期运行于高湿度、高盐、重污秽环境条件下，当绝缘材料老化到一定程度、尤其是系统过压时，将会造成套管及触头盒爆炸甚至母线严重放电、相间击穿和短路等故障事故。

此外，考虑到套管及触头盒的性能不仅受到由负荷变化和外部环境波动引起的凝露问题影响，还受高负荷工况的温升热老化效应影响，使得柜内温度总体具有冷热循环的特点。因此，可以采用热老化、冷热循环老化试验方法对套管及触头盒进行模拟加速老化，并对试验前后的样品进行工频电压干耐受试验和局放试验检验，以此考察材料的绝缘耐久特性。为了减轻凝露对套管及触头盒的不良影响，提高其绝缘水平和运行可靠性，主要应对措施有选用高耐电痕性的优质阻燃憎水性绝缘材料或涂刷防污闪涂料，采用双屏蔽的绝缘设计，母线外部包覆绝缘和阻燃性能高的热缩套，用硅橡胶自粘胶带缠绕或在制造过程中采用流化床喷涂阻燃绝缘粉末[2]。

2.3绝缘子

绝缘子起到固定支撑母线和绝缘的作用，由支撑芯体和复合外套、组成。按照材料类型可以分为硅橡胶复合绝缘子和电瓷、玻璃材料绝缘子3大类，其中硅橡胶绝缘子的应用最为广泛，具有湿闪污闪电压高的特点。

一般来说，在一定湿度范围内绝缘子的放电电压随湿度面升高，这是因为湿空气中水分子具有吸附自由电子的作用；而当绝缘子表面凝露时，则会发生沿面放电导致闪络电压降低。对憎水性的硅橡胶来说，局部放电首先发生在水珠、硅橡胶和空气的结合处，局部场强集中，绝缘子表面易产生强烈局部放电现象。此外，绝缘子表面的污秽使得表面更容易润湿，还会显著促进凝露液滴的融合，而且表面污秽凝露量越大，污秽层电导率越低，相应的闪络电压也越低。随着环境湿度的增加，当硅橡胶绝缘子表面的凝露表现为密集分布的大直径(1～2mm)、大体积液滴，甚至形成直径2mm以上的超大尺寸液滴或连续水膜时，局部液滴形态和电场严重畸变，进而出现火花放电现象，而且电晕放电与水反应生成的硝酸也是加速劣化的重要因素[1]。长此以往，绝缘表面憎水性遭受破坏、干区放电问题恶化，最终闪络电压大幅下降。

2.4母线等高压导体

高温高湿环境下，开关柜母线室母排尖端电场增强、绝缘净距离降低，设计阶段通常已经纳入考量，部分采用增加绝缘隔板的方式增加绝缘净距离。由于自身非发热热源、热容通常较低等特点，波动工况下的绝缘隔板表面温度通常低于母排而易吸湿凝露，反而导致闪络概率增大。更严重的情况，由于设计或安装不当，静触头与母线搭接处长期受潮，将会导致搭接螺栓严重锈蚀甚至头部锈断、母排搭接接头出现铜绿，局部发热异常，逐渐发展为内部出现明显放电现象。

隐患治理可以从以下几个方面入手，例如母排抛光清洗后现场表面电刷镀锡，不同部位的高压导体采用不同的倒角工艺进行处理，搭接处采用绝缘胶和绝缘包封盒双层绝缘处理；又如抬高电缆室底部平面，以防外部积水渗入，并对电缆沟四角设置用于通风散热的篦子型盖板，封堵电缆进线孔洞等，从源头上减少湿气进入母线室[1]。

2.5湿度控制方法

常见的湿度控湿手段大多采取加热法，部分采用半导体冷凝法，还有研究人员提出干燥气源置换法。目前，前两种方法应用较为广泛，但均存在防潮死区和各自的优缺点，并且需要优化安装位置、空气流通路径和控制策略才能充分发挥控湿作用。其中加热法通过提高内部空气容纳水汽的能力来达到控湿目的，由于柜内空气交换率较低，湿气容易滞留、累积，并在高湿条件下温度出现剧烈波动时，导致柜内局部凝露，而且温度过高不仅意味着高功耗，还会造成设备的绝缘老化问题。而半导体冷凝除湿法，直接降低柜内空间的绝对含湿量，破坏凝露形成条件，但无法应对某些部件表面迅速降温而先行凝露的情形[3]。干燥气源置换法基于以控湿为主、控温手段做辅助备用的思想，利用转轮除湿机制备干燥气源、输送至开关柜各个隔室，进行置换除湿，再配合加热除湿技术实现全柜防潮、防凝露，目前该技术路线尚处方案阶段。

结束语

凝露是影响开关柜的安全和可靠运行的重要因素之一，为了探究开关柜内凝露的形成机理与防治方法，相关人员开展了大量的模拟计算、试验验证和现场检测、施工操作优化以及加装除湿设备等工作[3]。文中对国内开关柜凝露问题的理论和技术研究成果进行了综述，针对各关键部件总结了结构优化方向、试验验证技术，并对比了几种常见的温湿度控制方法优缺点，为电网企业管理现役开关柜设备以及采购新设备提供参考建议。

参考文献：

[1]顾泽波,赵雪茹,郭力.开关柜凝露问题研究的现状与进展[J].机电工程技术,2022,51(4):25-29.

[2]潘一璠,姜炯挺,刘玉春,等.在运40.5kV开关柜用触头盒的典型故障分析与设计改善[D].2020

[3]潘岐泽,杨芳,杨志.12 kV高压开关柜受潮凝露机理及防治关键技术探讨[D].2019