变电站高压开关柜防凝露技术方案
国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司、中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司、无锡赛孚电力环境控制设备有限公司的研究人员顾晨、尤婷婷、刘明涛、承方，在2019年第11期《电气技术》杂志上撰文指出，柜内空气凝露是变电站开关柜运行中出现闪络故障的主要诱因。
基于凝露形成的机理分析，本文提出了采用电缆沟进线的高压开关柜内消除凝露的技术实施方案，通过使电缆沟与开关室内空气温湿度参数趋于均匀，有效避免了高压开关柜内凝露的产生。经工程实践检验，该技术方案切实可行。
随着经济发展和城市建设的不断推进、城市用电负荷密度的增加和城市建设美化要求的提高，越来越多的城市变配电设施从户外转向室内，电力输送线路也从架空敷设转向地下电缆沟敷设。通过对现有变配电站高压开关柜运行故障分类分析发现，开关柜内空气凝露是引起绝缘强度下降、引发开关柜故障的主要因素之一。
本文通过对高压开关柜内空气凝露原因的分析，提出了通过消除开关柜室与电缆沟内空气温、湿度差的技术方案，解决电缆沟内的凝露问题，从而保证高压开关柜内不出现因凝露而产生的闪络，防止运行故障的发生。
1 高压开关柜运行环境现状分析
现有变电站开关室采用的是机械通风、空调降温、除湿机等方式，满足变电站全年大部分时段的要求。但对于某些特殊时段，由于室外气候的突变（主要指空气温度、湿度以及含尘浓度的变化），会引起电缆沟（如图1所示）和开关柜内电气元器件或电气盘柜结构件上产生凝露，造成设备的绝缘性能大幅度降低，乃至击穿，引起设备锈蚀，加速设备老化，同时还可能产生局部放电，损坏元器件，使设备更容易发生故障，增加修理的成本，降低电网安全运行概率等。
图1 电缆沟盖板凝露现象
1.1 扬州地区气候特征
因扬州地处江苏省中部、长江与京杭大运河交汇处、水系发达，位于河流周边或地处低洼地带的变电站的土壤及空气中水分相对含量较高。同时，扬州属亚热带湿润气候区，夏季具有江南梅雨气候，存在于外界空气中的水蒸气慢慢渗入设备内，导致电缆沟、开关柜中的水蒸气含湿量逐渐上升，极易产生凝露。
1.2 开关柜运行环境特征
1）开关柜进线电缆沟
采用电缆沟进线、开关柜地面布置方式，开关柜室与室外大气相通，室内外温差变化较大。而电缆沟处在地下，其内部的温度则更多受土壤温度影响而变化较小。但因电缆沟的沟底、沟壁水分渗透蒸发，沟内的空气相对湿度较大，其露点温度与沟内空气温度差较小，通常在9℃～12℃。
冬季当开关室内的温度低于10℃时，电缆沟内的潮湿空气将在电缆沟盖板内侧及开关柜底板形成凝露；夏季当室外潮湿空气进入室内时，室内空气的露点温度升高，当其超过电缆沟盖板温度时，室内空气将在电缆沟盖板上表面结露。
2）开关柜结构分析
《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》12.3.2.2中规定，为防止开关柜火灾蔓延，在开关柜的柜间、母线室之间及与本柜其它功能隔室之间应采取有效的封堵隔离措施。因开关柜本身就缺少空气流通条件，导致进入到设备内部的水蒸气不能自行排出，夜晚当金属壁板温度低于空气露点温度的时候，就产生了凝露，而白天凝露蒸发后变成水汽，湿空气又长期积聚，凝露将反复出现。
《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》12.3.1.6中规定应在开关柜配电室配置通风、除湿防潮设备，防止凝露导致绝缘事故。常见的开关柜温湿度控制器装于开关柜的上柜门面板上，温湿度传感器嵌入控制器内，加热器安装于开关柜后柜侧壁上，无法根据温湿度有效起控加热器。当开关柜内外的空气温差较大时易在开关柜内引起凝露。
3）开关柜室环境分析
常规的开关柜室通风系统运行时，室外空气经进风百叶或门窗缝隙等进入室内，吸收室内开关柜等设备散发的热量后，经风机排出室外。因缺乏温湿度联锁控制系统，通风系统的起停控制需运维人员手动操作，且扬州地区湿度较高，春秋季节尤其是雨季空气湿度大，冷热交替变换频繁，高湿空气无法经通风系统有效排出，使得开关柜长期处于高湿环境。
1.3 凝露对开关柜的影响分析
1）对空气绝缘的影响
研究表明，当温度保持不变，球间隙放电电压在80%RH以下低湿条件下，随着相对湿度的增加逐渐增加；在80%RH以上高湿条件下，随着相对湿度的增加逐渐减小，高湿并不会造成放电电压严重降低。因此，空气相对湿度小于95%RH时对开关柜的空气绝缘没有显著的影响，但有凝露时，球间隙放电电压几乎降为正常值的一半。
2）对导体的影响
大量的开关柜内绝缘故障分析发现，故障开关柜有大量断路器手车触头及母排氧化现象，是潮湿空气腐蚀作用的结果。断路器手车的动静触头氧化后，一方面会有粉状氧化物落在触头盒内，降低爬电距离；另一方面加大动静触头之间的接触电阻，易发生热故障，发热后绝缘材料受热分解，绝缘性能下降。
3）对绝缘材料的影响
开关柜的绝缘件有绝缘支柱、母线套管和触头盒3种，通常采用环氧树脂压铸而成。在潮湿环境下，由于材料内部结构基团极性及吸水性，容易与水分子结合形成氢键，使导电性增加，表面电阻率和体积电阻率降低。
凝露会在绝缘材料表面形成结晶水，当空气中粉尘溶解于结晶水后，由于局部电子的快速运动和结合，会在绝缘材料表面形成小电弧燃烧，破坏绝缘材料的表面绝缘。随着不断分解效应和闪络效应的累积，绝缘表面会形成灰白色的粉末印痕彻底破坏绝缘性能，并最终导致设备相间或对地短路。
根据对扬州地区的变配电站运行故障的汇总分析，电缆沟内潮湿凝露与开关柜绝缘性能下降的相关性较大，因此消除电缆沟内的潮湿凝露有利于防止开关柜出现凝露引起绝缘下降。
2 凝露机理分析
根据空气动力学理论，借助湿空气焓湿图（如图2所示），分析凝露的机理。首先介绍关湿空气的3个概念，即含湿量、相对湿度、露点温度。
湿空气是指含有水蒸气的空气；含湿量和相对湿度均是表征湿空气中水蒸气含量的参数，含湿量是表示每千克干空气中水蒸气的含量，是表示水蒸气含量的绝对值，在焓湿图中为横坐标表示。
图2 湿空气的焓湿图
相对湿度（RH）是表示湿空气的绝对湿度（含湿量）与相同温度下可能达到的最大绝对湿度（最大含湿量）之比，是表示空气中水蒸气含量相对值，在焓湿图中为一系列抛物线。饱和空气是指一定温度和压力下，能够容纳最大限度水蒸气的湿空气状态，其相对湿度为100%，在焓湿图中位于最下方。
露点温度是指将空气在含湿量和气压都不改变的条件下，将湿空气冷却到饱和时的温度，在焓湿图中与相对湿度100%对应的纵坐标温度即为该含湿量对应状态下的露点温度。
如果湿空气接触的物体表面温度低于该空气的露点温度，空气将热量传递给接触的物体，空气温度下降，同时其相对湿度提高，物体表面温度升高，但两者升高速率不同，通常空气热容量低，降温速度大于固体物体吸热后的升温速度。当空气温度降至露点温度时仍高于物体表面温度，空气温度将继续下降，此时空气中的水蒸气将从空气中以液态形式析出，进而在物体表面形成凝露。
通过上述分析可以发现，形成空气凝露的条件是湿空气（水分）、物体与空气的温差，如果两个条件都不满足的时候，就不会出现凝露。
3 防止凝露发生的措施
根据凝露产生的主要原因，从减少水分进入、防止温差产生这两个方面，有效阻止电缆沟内凝露的产生。
3.1 控制电缆沟与开关室的温度差
控制电缆沟内空气温度与其上开关室的空气温度差，减少凝露发生，最直接的办法就是将二者的空气进行有效的混合。开关室的热特性决定了开关室上部区域的空气温度要高于开关室下部的温度，因此将开关室顶部温度相对较高的空气通过通风设备送入电缆沟内，与电缆沟内的空气混合后，空气温度升高，相对湿度下降，并通过排风口再次排入开关室，从而在保持电缆沟干燥的同时，也使开关室内的空气温度更趋均匀。
3.2 维持开关室内的温度均匀
室内温度场分布的均匀性主要取决于室内的气流组织，维持室内合理的气流组织是维持室内温度均匀的重要途径。
为了有效地控制室内的气流组织，系统采用正压送风、自然或机械排风的气流组织。根据开关室的电气设备发热特性，从开关室下部送入较低温度的空气，这些空气沿地面扩散，蔓延至整个房间，到达开关柜后，吸收开关盘柜的热量后缓慢上升，在送风设备的压头与开关设备散热形成热压双重作用下，送风源源不断地补充到发热的开关柜处，而没有散热的开关柜因少了设备发热引起的热压作用，送风达到该区域的量就较少，从而保证了开关柜间周围空气温度的均匀性。
3.3 维持开关柜内外的温度均匀
为了防止热湿空气在开关柜内积聚，应保持开关柜内外的通风顺畅。现有部分开关柜没有设置必要的通风装置，一旦有潮湿空气进入，难以有效及时排出，随着柜体内外的温度变化，有产生凝露的危险。
在制造开关柜时，应根据开关柜内电气设备的功能和防尘、防潮的要求，设置合理的通风设施，如定制预留喷气孔，利用过滤进风机加压，使得柜内空气强制流动，实现柜内整个空间均有干燥空气流通，消除防潮死区；同时，通过喷嘴角度布置，驱动空气产生旋转流动增强除湿效率，可向特定狭小部位供气，实现全柜防潮、防凝露。
4 工程技术方案
4.1 解决方案设计
基于上述分析结果，本文提出的系统方案如图3所示。系统设计思路：将开关室上部区域的室内空气（必要时引入部分室外新风）根据各自参数和室内温、湿度控制要求，按比例混合后经环境控制设备（具有过滤、加压、分配、加热、降噪等功能）处理加压后，送入电缆沟内。
图3 电缆沟进线开关柜室控温防凝露方案图
进入沟内的空气与围护结构墙体、地面进行对流换热后，送入的空气温度得到降低，而沟内的空气温度得到提升，降低了沟内空气湿度；源源不断送入的空气使电缆沟的压力上升，通过在电缆沟与开关室开设的防火通风口进入开关室，相较于送入电缆沟的空气温度得到降低，与开关室下部空气混合后，使开关盘柜下部区域空气温度趋于均匀。
随着运行时间的延长，开关室上部空气状态参数超过设定值时，系统自动调整回风和新风比例，同时通过自然排风口，将上部高温的热湿空气溢出室外。
4.2 工程实际运行效果
基于上述设计思路，将环境控制设备、排风装置等与室内温湿度传感器集成在一个智能系统平台，并固化在环境控制设备上。通过监测开关室、电缆沟和室外大气的状态参数，自动调整新风（室外进风）、回风（开关柜顶部区域空气）风量，从而阻止室外大量热湿空气的侵入，保持室内干燥，彻底杜绝凝露的发生。
为检验上述方案的实际运行效果，在扬州110kV和220kV电缆沟进线的变电站高压开关柜室，安装了上述控温防凝露装置，如图4所示。
图4 安装控温防凝露装置的开关柜室
为检测运行效果，在该系统起动前后分别测试电缆沟和开关室的运行参数，对比结果见表1。
表1 系统应用前后温湿度对比表
表1数据表明，安装控温防凝露装置后，通过控温防凝露装置内的电加热器运行时间，降低电缆沟内空气的相对湿度，可促进开关室和电缆沟内的温湿度趋于均衡，减少电缆沟内潮湿空气通过电缆接线孔进入开关柜，从而防止开关柜内电气元件表面的闪络现象发生。系统运行后电缆沟盖板凝露情况如图5所示，对比图1可以发现，电缆沟盖板背面凝露完全消除。
图5 电缆沟盖板背面凝露情况（运行后）
在电缆沟进线的开关室安装控温防凝露装置后，除了上述温湿度参数得到准确控制外，该系统带来的附加效应还表现在以下几个方面：
1）有效阻止室外热湿空气的侵入。当室外空气处于高热高湿状态时，控温防凝露装置通过减少或关闭新风进风口，采用大比例回风或短时全回风系统运行，阻止热湿空气进入，防止凝露现象出现。
2）系统运行能耗显著下降。夏季利用电缆沟内天然的冷却能力，冷却室内空气，排除开关柜本体的散热量，减少了空调冷却所需能耗。
3）减少变电站开关柜室的运行维护工作量。由于开关柜室维持微正压状态，室外空气的进入得到有效地控制和处理，随室外空气进入室内的灰尘量也大大减少，开关站地面和盘柜表面的积灰可能性下降，既能预防因灰尘积聚产生的闪络，也减轻了运行维护工作量。
本文通过对高压开关柜运行故障的分析，发现潮湿凝露是导致开关柜故障的重要因素，而电缆沟进线的开关柜，电缆沟潮湿又是引发开关柜凝露的主要原因。
本文提出的工程技术解决方案，通过降低电缆沟与开关柜室的温湿度差，消除电缆沟的凝露，经工程实践检验，达到了预期的效果，能够有效防止开关柜凝露的发生，降低开关柜因运行环境而发生故障的概率，为变配电站的安全稳定运行创造了条件。