開關柜內凝露現象研究的發展綜述

袁博

摘要：開關柜內的凝露現象一直是工程應用中的一個實際問題。傳統上主要采用通風、抽濕等物理方法來降低開關柜內濕度，或者在柜內安裝加熱器，升高柜內溫度以達到減少凝露的目的。但這些物理方法只能起到一定改善作用，而不能有效防止凝露的產生，實際應用效果并不理想。隨著自動控制技術與計算機技術的發展，近些年對于這一實際問題有了更深入的研究。文章總結了近些年與之相關的一些研究成果，著重介紹了開關柜內濕度、溫度描述方法與凝露控制方法的一個進展，并指出了已有方法的優缺點，并對此提出了自己的看法。

Abstract： The condensation phenomenon in switch cabinet is always a practical problem in engineering application. Traditionally， some physical methods， such as natural ventilation and dehumidification， are mainly used to reduce relative humidity in switch cabinet， or install heater in switch cabinet to rise temperature to reduce dew condensation. However， these physical methods can only play a certain role in improvement， and they can't prevent condensation effectively. With the development of automatic control technology and computer technology， in recent years， this practical problem has been studied more deeply. The paper summarizes some related research results in recent years， emphatically introduces a progress of condensation control method and description method of humidity and temperature in switch cabinet， and points out the advantages and disadvantages of existing methods， and puts forward my view.

關鍵詞： 凝露；開關柜；環境控制；溫度；濕度

Key words： dew condensation；switch cabinet；environmental control；temperature；humidity

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0271-04

0 引言

電力系統中的凝露現象是指當空氣中水分含量達到一定程度時，空氣中的水蒸氣會在溫度較低的各類電氣設備上凝結的現象。由于南方地區空氣潮濕，存在回南天這一特殊天氣現象，使得結露現象格外嚴重。電力系統中，開關柜的凝露現象會直接影響到電氣設備的正常運行，增加用電安全隱患。開關柜內長期的凝露現象還會造成金屬設備腐蝕以及絕緣設備老化等問題，影響其機械、電氣性能，甚至導致絕緣件表面產生沿面放電，從而造成漏電或觸電事故。

在電網運行中，凝露引發的開關柜事故一直以來屢見不鮮。如在2008年8月，一所110kV的變電站內就發生了一起因凝露閃絡導致的10kV小車式開關柜燒毀的事故。而在2016年9月，另一所110kV的變電站內，凝露閃絡又一次導致了35kV母線差動保護動作跳閘。全國各地凝露導致的事故均有發生，除了南方地區以外，沿海城市由于濕度較大，凝露導致的事故也很嚴重。通過相關文獻可知，在天津地區由于凝露而導致開關柜局部放電嚴重的案例也占22.22%以上[1-3]。所以，凝露現象嚴重危害著電網的安全運行，對于這一問題的研究具有十分重要的意義。

由于針對開關柜內凝露這一實際問題的深入研究需要用到大量交叉學科內容，所以雖然這一問題研究了多年，但能用于實際的方法依然比較單一局限，而且效果也不甚理想。現存的相關研究論文雖然較多，但相對比較混雜，基于此，本文以綜述的形式從凝露現象的機理出發，介紹了開關柜內溫濕度的預測方法、防止開關柜內凝露的傳統措施與近幾年的研究進展，并重點介紹了流體力學，熱力學等理論與此實際問題結合的應用前景。

1 開關柜內凝露現象的原理

結露是一種自然現象，可以用相對濕度和露點溫度作為評價指標來進行描述。開關柜內的結露現象被稱為凝露，產生原因有其特殊性。

1.1 基于相對濕度的描述

柜內相對濕度與柜內的含濕量和溫度有關。柜內含濕量的變化主要來源于外界環境空氣的流動和室內外地溝積水的蒸發作用。柜內溫度的變化主要來源于柜內外環境空氣的對流和柜內導線的熱效應。其中，導線電流的熱效應使得開關柜內等效于存在熱源，通過輻射、對流和熱傳導的方式向空氣傳熱，使得柜內溫度分布情況復雜，凝露產生的位置也因此復雜多樣。柜內環境溫濕度參數分布的不均勻，最終導致在電纜地溝、開關柜內壁、開關柜頂部、絕緣套管內部等位置易產生凝露。

當物體附面層內空氣中的相對濕度達到100%時，水蒸氣就會在物體表面產生凝結，即結露，可表示為：

RHK=100%（1）

其中， RHK—結露表面附面層空氣的相對濕度。

1.2 基于露點溫度的描述

結露現象也可以用露點溫度進行描述。由于水蒸氣在很多情況下存在邊界凝結，當濕空氣與低于其露點溫度的固體表面接觸時，就會發生凝結現象，即結露，可表示為：

Tb

其中，Tb—結露表面的溫度；Td—結露表面附面層空氣的露點溫度。

結露表面的溫度可利用貼片式溫度傳感器測量得到，結露表面附面層空氣的露點溫度則可以近似利用干濕球法得到。具體方法如下：

將電力設備內的環境看作一個熱力學系統，在處理具體熱力學問題時，為了使問題簡化，可忽略一些不重要的因素而近似地把系統視為孤立系統。

假設取溫度t由0～40，取相對濕度RH（%）由40～100，則：T為273.15～313.15，帶入（3）、（4）、（5）可得仿真結果如圖1。

通過以上仿真圖可以直觀看出在露點溫度描述下凝露產生的條件，即：當饋線柜表面溫度低于露點溫度（饋線柜溫度位于圖形下方）時，產生凝露，當饋線柜表面溫度高于露點溫度（饋線柜溫度位于圖形上方）時，則不產生凝露。

2 開關柜內凝露現象的研究近況

2.1 開關柜內凝露現象現狀與分析

在研究開關柜內凝露問題時，只需在假設其他參數不變的條件下，對柜內濕度、溫度進行描述及預測。現有文獻主要從柜內凝露現象出發，分析了凝露現象產生的機理，并通過理論計算、模型試驗和數值模擬等方法研究了不同因素對凝露現象的影響，根據數值模擬結果提出了減少柜內凝露的一些措施。現有的文獻有些是針對戶外環網柜進行的研究，有些則是針對開關房內的開關柜進行的分析。

電纜箱是戶外環網柜易產生凝露的位置之一，環網柜電纜箱內凝露的原因主要分為兩種。當電纜箱內形成液滴但箱內部件無其他異常時，主要是由于電纜箱內的高濕空氣造成的凝露，即普通的結露。當電纜箱內除了形成液滴還伴有箱內金屬部件嚴重腐蝕，絕緣材料嚴重老化時，凝露往往是電暈放電的副產物。電暈放電使空氣中的水蒸氣液化，形成液滴，然后液滴變為酸性，最終造成腐蝕和老化[4]。除了對于現象的直接觀察與分析，近年來，模型試驗和數值模擬對于研究影響凝露現象的因素，探究改善凝露的措施方面也有了一定成果。如：有文獻在人工環境氣候室內搭建了環網柜二次小室凝露現象研究實驗系統，研究了凝露表面粗糙程度對凝露現象的影響[3]。也有研究人員采用計算流體力學（CFD）數值模擬方法對開關柜內的流場進行分析，提出了具體的改善措施，如：有文獻仔細描述了戶外環網柜RMU中凝露產生的具體過程，并通過有限元分析建立了一個3D流場模型，得到了減少RMU凝露的措施，即增大RMU的原始尺寸和優化通風入口的形狀會有助于加強自然通風，從而減少戶外環網柜RMU內凝露[5]。

針對開關柜內凝露現象，也有學者進行了相應的數值模擬，建立了開關柜內濕空氣凝露現象的數學模型，通過對開關柜頂部與左壁面的數值分析，得到了邊界條件相同時頂部更易產生凝露的結論[7]。

從已有的文獻中，可以得到開關柜內凝露現象產生的原因，分析出凝露現象易產生的位置，但還不能對開關柜內非均勻環境濕度、溫度進行有效描述，也沒有能得出實際凝露控制所需的邊界條件。目前相關研究還較少。

2.2 非均勻環境濕度、溫度的描述及預測方法

為實現對開關柜內凝露現象的有效控制，首先需要對開關柜內的非均勻環境濕度、溫度進行描述，找出用于凝露控制的凝結邊界條件，但相關文獻較少，所以在對柜內濕度、溫度進行描述及預測時可以考慮參考室內非均勻環境濕度、溫度的描述及預測的方法。

傳統的室內空氣環境通常采用射流理論計算和模型試驗進行預測。其中射流理論計算大多適用于簡單氣流流型，當氣流組織較復雜時計算的準確性就較差。相較于理論計算，模型試驗適用性廣，結果可信度較高。近年來PIV、VPTV等技術就被應用于室內空氣流動的試驗分析中。

隨著計算機技術的發展，CFD數值模擬方法也被廣泛用于室內空氣流動以及非均勻環境濕度、溫度的描述及預測。相較于理論計算與模型試驗方法而言，數值計算方法代價低、周期快、數據信息豐富，已成為室內空氣環境預測的趨勢[8]。有學者還針對濕空氣中溫度和相對濕度，對CFD求解算法進行了相應的改進，提高了數值模擬精度[9]。目前，有少量文獻已經將CFD數值模擬方法用于電力相關的濕度、溫度環境的描述中。如：有學者搭建了電氣設備試驗環境室，利用CFD技術對其內部流場、溫度場、濕度場進行了數值計算和模擬，為電氣設備環境實驗室內部氣流組織布置和參數設計提供了一定理論基礎[12]。也有研究人員利用CFD技術對配電室通風室內的溫度場進行了數值模擬，并與實測數據進行對比，做了可靠性分析[13]。對于開關柜內非均勻環境的描述，這一方法在之后的研究中可被借用。

2.3 開關柜內凝露的控制方法

2.3.1 傳統控制方法

這里主要討論開關房內的開關柜的凝露控制問題。傳統開關柜內防凝露設計主要考慮確定開關柜內的凝露邊界條件，通過控制開關柜內的溫濕度參數，來防止柜內凝露的產生。主要思路有三種：一種是升高柜內易凝露表面的溫度；一種是降低開關柜內易凝露表面附面層空氣溫度；一種是降低易凝露表面附面層空氣含濕量。具體控制系統的設計主要通過以下兩種方式。

一種方法是采用開關柜內溫度和濕度指標來控制開關房內的空調或者抽濕機，從而破壞開關柜內凝露產生的條件。如：有研究人員根據凝露機理，提出通過低溫與高濕起控的方法，擴大環境溫度與露點溫度的差值來預防凝露的發生。由于開關房內本身存在空調與抽濕設備，所以低溫與高濕起控的方式可以在不加裝其他設備的情況下達到防凝露的目的，具體思路清晰簡明，節省成本，可操作性強。但由于開關柜內濕度、溫度分布不均勻，多個變量之間存在耦合關系，同時柜內外對流傳熱存在時間差，溫濕度測量的精度不夠等問題，使得不易使用集總參數的方式確定起控條件，具體實施效果均不理想。針對這些不足，可以考慮對開關柜內濕度、溫度進行理論計算和數值模擬，建立更精確的數學模型，確立更合理的凝露邊界條件從而改善實際應用效果。

另一種方法是在開關柜內加裝防凝露設備來控制開關柜內的溫濕度。市面上一般采用傳統凝露傳感器或者傳統凝露控制器來實現這一功能，主要原理是通過在開關柜內加裝加熱器，在易凝露固體表面（如陶瓷基板）安裝凝露傳感器，傳感器采用高分子電阻材料，遇水電阻變大，電信號改變，加熱器起動，從而控制柜內溫度，達到防止凝露的目的[10]。但使用這種方法只有在凝露后才能起動加熱器，此時已不具有預見性。同時，由于電力行業的特殊性，升高柜內溫度會帶來更多安全隱患。

綜上所述，現有的通過控制開關柜內濕度、溫度的方法都存在自身的局限性，實際應用效果不佳，還需對凝露邊界條件，柜內溫濕度流場作進一步研究。

2.3.2 半導體熱電制冷除濕

由于傳統的凝露控制方法效果不佳，所以有研究人員利用半導體熱電制冷除濕技術，研發了小型智能控制防凝露除濕裝置，通過局部制造凝露條件，使柜內潮濕空氣凝露成水排出柜外[11]。這種方法主要利用了半導體制冷技術，可快速有效地降低電氣柜內空氣濕度及抑制凝露現象的產生。比起傳統控制方法，這種方法的效果相對更好，但需要加裝設備，在大量制冷的情況下，半導體制冷的效率較低。同時半導體材料造價較貴，在開關柜內大量使用會導致凝露控制的成本較高。

3 文獻綜述小結

隨著技術的發展，開關柜內的凝露現象的研究除了傳統方法以外，有了新的解決思路。綜合來說，防止凝露的產生需要考慮到以下幾點：第一，利用露點溫度作為凝露邊界條件控制柜內凝露時，主要考慮熱慣性帶來的凝露表面溫度與凝露表面附面層空氣溫度差對于開關柜內凝露的影響；第二，利用相對濕度（或含濕量）作為凝露邊界條件控制柜內凝露時，主要考慮凝露表面附面層空氣的相對濕度是否達到100%；第三，由于不是達到凝露條件即會馬上在凝露表面結露，所以在研究時要考慮達到凝露產生條件后需要多久才會產生明顯結露。理論上的解決方法如下：第一，可以考慮升高水蒸氣凝結表面的溫度；第二，可以想辦法降低凝露表面附面層的溫度或者含濕量；第三，可以增加開關柜內外空氣的自然對流；第四，由于固體的熱慣性與其本身比熱容和質量有關，所以考慮對易凝露表面的材料進行改進。

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