開關柜凝露問題研究的現狀與進展

顧澤波，趙雪茹，郭 力

（中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

一般來說，凝露的形成有兩種途徑，一種是吸濕性污穢層吸水潤濕，污穢層主要是可溶性鹽和不溶性雜質，受到環境條件和降雨強度影響；另一種是由于外部環境或負荷變化導致物體表面溫度低于環境露點，使得空氣中的水分在物體表面凝結，此時凝露對象的比熱容越小、散熱面積越大，形成凝露的窗口期越短。開關柜的密封性有限且內部通風效率不高，水汽非常容易進入并在其中滯留累積，因而凝露問題也最為突出，直接影響柜內絕緣關鍵部件的耐壓絕緣性能。

目前，探討分析變電站內開關柜凝露問題及其治理方法的研究有很多，這些研究成果分別集中于部件凝露老化試驗、監測控制和檢測方法、防凝露涂料開發與驗證、空氣流動和電場仿真計算與結構優化等，較少系統性綜述。本文主要圍繞對開關柜絕緣安全性起到決定性作用的主要絕緣部件，例如絕緣子、穿柜套管、觸頭盒以及線纜等部件受凝露影響的失效問題與機理，對適合華南地區的防治技術，以及相關試驗方法研究進展進行綜述。

1 凝露機理

凝露問題是一種常見的自然現象。當開關柜內部空氣絕對濕度較高，而設備或物體表面溫度變化至低于露點、使得局部空氣水蒸氣含量達到飽和時，濕空氣中的水蒸氣便會在表面析出、凝結成水滴。

1.1 華南地區氣象特點與監測

以廣州市為例，年平均氣溫21.9℃，極端低溫為0℃、極端高溫達39.3℃，年平均風速僅1.9 m/s，年平均降水量1 695.9 mm，年平均相對濕度為78%，而且全年48%的時間里相對濕度在80%以上，是典型的亞熱帶濕熱氣候[2]。此外，由于城區和郊區的下墊面不同，會出現城市干島和濕島效應，表現為兩地的水汽壓差異，例如凝露濕島出現時，城區夜間水汽壓和氣溫均較郊區更高、而郊區相對濕度很高故凝露量更大[3]。同理，坐落于不同區域的開關柜局部微環境也有很大差異。因此，為了更好地掌握開關柜內部環境條件，有必要在已有氣象監測站點的基礎上，選取區域內典型設備進行溫濕度布點監測。

此外，考慮到常規凝露傳感器不適用于低濕區間且在污穢影響下靈敏度降低，建議受鹽霧影響較大的地區，在柜內重點部位布置鹽沉降量監測傳感器，以掌握鹽霧沉積和凝露情況[4-5]，為柜體結構改進和管理策略優化奠定基礎。

一般來說，可以采用露點儀獲取露點溫度數據，但直接法露點測量設備價格較高，而不同類型的間接測量設備可靠性有一定局限，例如容易受到環境溫度或對污染性氣體的影響或不適用于低濕/高濕場景等。而且開關柜內部布置結構復雜、存在工況波動情況，傳統空氣露點監測手段的應用效果有限。

為了防止施工過程中破壞井口，首先在調壓井口沿開挖邊線修筑寬0.5 m、高0.5 m的混凝土鎖口，再采用0.3 m3小型挖掘機配合人工從地面自上而下分層進行土方開挖，開挖土料通過導井倒入下部隧洞開挖掌子面，再通過扒渣機配合農用車通過開挖完成的隧洞運輸至洞外棄渣場。井壁周邊至導井口應有適當坡度，便于扒渣。調壓井施工示意圖見圖2。

1.2 露點計算

大氣環境的露點可根據本地氣象站公開的干球、濕球溫度測量結果由馬格努斯（Magnus-Teten）近似公式轉換得到，該方法在0～50℃范圍內的誤差在1%以內[6]。露點溫度和飽和水汽壓可由下式計算得到，

式中：t為露點溫度，℃；tw為濕球溫度，℃；Etw為濕球溫度所對應的的純水平液面的飽和水汽壓；Ew為干球溫度所對應的飽和水汽壓，hPa；A為干濕表系數，℃-1，由干濕系數表查得；Ph為當地氣壓，hPa；T為絕對溫度，℃；E為飽和水汽壓，hPa。

更方便地，還可以根據Magnus公式，依據空氣干球溫度T和相對濕度RH計算露點溫度Td，如式（3）～（4）所示。圖1所示為依據計算結果所繪制的氣溫與露點溫度溫差趨勢圖。可見，當空氣相對濕度達到70%時，大氣溫度為30℃時，露點溫度僅比氣溫低約6℃，較易在氣溫波動的時候在短時間內形成凝露。

圖1 空氣溫度與露點溫度之差隨氣溫及相對濕度的變化關系

式中：a=17.27℃；b=237.3℃。

2 關鍵部件失效問題與應對措施

考慮到凝露對各個部件的影響機理、危害程度及相應的改進策略各不相同，故分為箱柜、穿柜套管及觸頭盒、絕緣子、母線等高壓導體逐個展開探討。

2.1 箱柜

箱柜相關的主要應對措施有結合歷史運行經驗或仿真計算結果，優化柜體通風結構和設備布置，并保證柜體密封性，改善通風效率，具體如下。

凝露仿真方面，考慮到開關柜通常采用下進風上出風的散熱形式，并將風機設在柜體的中插板、斷路器室頂部或母線室頂部[7]，多數仿真模型物理結構以此為基礎設定空氣傳質的進出口邊界條件。西安交通大學唐強等對手車式KYN61-40.5 kV開關柜的氣流場和濕度場進行三維仿真計算，結果表明母排入口及滅弧室、連接部位等導流路徑上的空氣運動劇烈、流速高于其他部位，如圖2所示[8-9]，但觸頭盒筒壁內部和真空滅弧室處濕空氣不易流出，更容易出現凝露問題，與實際擊穿部位相吻合。通過計算不同凝露條件下觸頭盒局部電場分布發現，凝露導致的電場強度畸變不足以直接擊穿空氣，進一步結合周圍環境分析發現事故變電站附近存在煤礦企業，含硫含氮的工業粉塵易在密閉空間內堆積形成干污穢，高濕度條件下形成凝露時則吸水潤濕形成導電溶液，最終導致電暈放電和腐蝕問題，增加擊穿概率。因此建議控濕防塵雙管齊下、同時盡量將加熱器和通風裝置設置在靠近電纜室柜壁上。

圖2 模擬得到的開關柜氣流場流速

對于開關柜頂部凝露滴落導致閃絡及通風不暢導致防凝露設備效果有限等問題，深圳供電局張煒等[10]對傳統的共箱開關柜柜體流場分布進行建模，對比了不同結構設計對柜體內部流動特性的影響，提出適當加大柜體尺寸、頂部設計為斜坡狀、進風口采用帶導流槽結構等通風改進措施。還有技術人員在內部隔室加開百葉窗通風孔、開關柜頂部和母線橋架頂部泄壓板上加開魚鱗百葉窗[11]等方式，來減少內部局部濕空氣滯留，增強通風對流效果。

密封處理方面，最重要的是保證底部電纜艙密封性，建議柜體基礎底部采用不變形、不開裂的防火泥封堵材料，例如硅酮橡膠等[12-13]，電纜室內表面、底面及隔離墻雙側面均做防水處理[14]，配備事故通風裝置，并在排風機上配置停機自密封閘板[1]。此外，現有開關柜防護等級多為IP3X或IP4X，可根據實際需求提高到IP55，比如采用雙層具備保溫功能的門結構、外門縫隙加裝橡膠密封條，通風口處設置過濾棉，預留通訊和供電線孔并加裝倒扣防護罩，內門鑲嵌觀察窗以減少開門次數等[15]。設計完成后，可進一步開展開關設備的凝露和污穢工況試驗，考察試驗樣品的絕緣和帶電耐蝕特性，試驗標準參考GB/T 3906-2020或DL/T 593-2016[16]。

運營維護方面，在高凝露風險季節加強對長期處于備用狀態、低負荷的開關柜巡檢力度或者配備無線傳輸凝露在線監測裝置，如圖3所示[17]，重點關注日落后半小時至日出前半小時露水凝結段的運行情況[18-19]，以期及時發現并排除凝露隱患。

圖3 溫濕度監測無限傳輸裝置結構[17,20]

2.2 穿柜套管及觸頭盒

開關柜穿柜套管和觸頭盒多采用環氧樹脂為主絕緣介質，兩者都屬于“插入式”的電極布置方式，基體和法蘭邊緣電場十分集中。若套管或觸頭盒同時存在設計或安裝缺陷及凝露水珠，則會形成局部集中電場，出現局部絕緣放電現象，造成絕緣材料（尤其是觸頭盒搭接縫處）熱分解與電分解，同時觸頭觸指和內部金屬嵌件受潮氧化產生銅綠，如圖4所示[21]。長期運行于高濕度、高鹽、重污穢環境條件下，當絕緣材料老化到一定程度、尤其是系統過壓時，將會造成套管及觸頭盒爆炸甚至母線嚴重放電、相間擊穿和短路等故障事故[22-24]。

圖4 屏蔽網附近裂紋及屏蔽網融化、變形

對此，一方面可以采取2.1節所述措施進行總體調控，另一方面還可以采用仿真方法計算電場分布、優化套管及觸頭盒結構[24-25]，同時利用傳統的特高頻局放檢測手段，結合新型臭氧或可燃氣體濃度檢測手段，對套管缺陷進行定位和事故預警[26]。

此外，考慮到套管及觸頭盒的性能不僅受到由負荷變化和外部環境波動引起的凝露問題影響，還受高負荷工況的溫升熱老化效應影響，使得柜內溫度總體具有冷熱循環的特點。因此，可以采用熱老化、冷熱循環老化試驗方法對套管及觸頭盒進行模擬加速老化，并對試驗前后的樣品進行工頻電壓干耐受試驗和局放試驗檢驗[27]，以此考察材料的絕緣耐久特性。為了減輕凝露對套管及觸頭盒的不良影響，提高其絕緣水平和運行可靠性，主要應對措施有選用高耐電痕性的優質阻燃憎水性絕緣材料或涂刷防污閃涂料，采用雙屏蔽的絕緣設計，母線外部包覆絕緣和阻燃性能高的熱縮套，用硅橡膠自粘膠帶纏繞或在制造過程中采用流化床噴涂阻燃絕緣粉末[24,28-29]。

2.3 絕緣子

絕緣子起到固定支撐母線和絕緣的作用，由支撐芯體和復合外套、組成。按照材料類型可以分為硅橡膠復合絕緣子和電瓷、玻璃材料絕緣子3大類，其中硅橡膠絕緣子的應用最為廣泛，具有濕閃污閃電壓高的特點。

一般來說，在一定濕度范圍內絕緣子的放電電壓隨濕度而升高，這是因為濕空氣中水分子具有吸附自由電子的作用；而當絕緣子表面凝露時，則會發生沿面放電導致閃絡電壓降低。對憎水性的硅橡膠來說，局部放電首先發生在水珠、硅橡膠和空氣的結合處，局部場強集中，絕緣子表面易產生強烈局部放電現象。此外，絕緣子表面的污穢使得表面更容易潤濕，還會顯著促進凝露液滴的融合，而且表面污穢凝露量越大，污穢層電導率越低，相應的閃絡電壓也越低。隨著環境濕度的增加，當硅橡膠絕緣子表面的凝露表現為密集分布的大直徑（1～2 mm）、大體積液滴，甚至形成直徑2 mm以上的超大尺寸液滴或連續水膜時，局部液滴形態和電場嚴重畸變，進而出現火花放電現象，而且電暈放電與水反應生成的硝酸也是加速劣化的重要因素[30-31]。長此以往，絕緣表面憎水性遭受破壞、干區放電問題惡化，如圖5所示，最終閃絡電壓大幅下降[31]。

圖5 凝露干區放電現象

為了研究絕緣子表面凝露對絕緣特性的影響規律，可以根據在役開關柜內的鹽密和灰密實測結果，對樣品進行涂刷污穢前處理或利用超聲波鹽霧發生裝置制造鹽污沉積，利用人工氣候箱內制造凝露條件開展交流污穢試驗，研究凝露液滴分布特征及其對局放和閃絡特性影響規律[32-33]。

為了減輕凝露問題對絕緣子的影響，相關措施有噴涂具有濕熱環境耐久性的噴涂防污閃涂料[34]，改進不同盤徑絕緣子組合以提高絕緣子串的抗污穢能力[35]，通過添加氫氧化鋁（ATH）和氮化硼（BN）復合納米粒子以改進硅橡膠耐電弧性[36]等。

2.4 母線等高壓導體

高溫高濕環境下，開關柜母線室母排尖端電場增強、絕緣凈距離降低，設計階段通常已經納入考量，部分采用增加絕緣隔板的方式增加絕緣凈距離。由于自身非發熱熱源、熱容通常較低等特點，波動工況下的絕緣隔板表面溫度通常低于母排而易吸濕凝露，反而導致閃絡概率增大[37]。更嚴重的情況，由于設計或安裝不當，靜觸頭與母線搭接處長期受潮，將會導致搭接螺栓嚴重銹蝕甚至頭部銹斷、母排搭接接頭出現銅綠，局部發熱異常，逐漸發展為內部出現明顯放電現象[18]。

隱患治理可以從以下幾個方面入手，例如母排拋光清洗后現場表面電刷鍍錫，不同部位的高壓導體采用不同的倒角工藝進行處理，搭接處采用絕緣膠和絕緣包封盒雙層絕緣處理[11]；又如抬高電纜室底部平面，以防外部積水滲入，并對電纜溝四角設置用于通風散熱的篦子型蓋板，封堵電纜進線孔洞等[14]，從源頭上減少濕氣進入母線室。

2.5 濕度控制方法

常見的濕度控濕手段大多采取加熱法，部分采用半導體冷凝法，還有研究人員提出干燥氣源置換法。目前，前兩種方法應用較為廣泛，但均存在防潮死區和各自的優缺點，并且需要優化安裝位置、空氣流通路徑和控制策略才能充分發揮控濕作用。其中加熱法通過提高內部空氣容納水汽的能力來達到控濕目的，由于柜內空氣交換率較低，濕氣容易滯留、累積，并在高濕條件下溫度出現劇烈波動時，導致柜內局部凝露，而且溫度過高不僅意味著高功耗，還會造成設備的絕緣老化問題[38]。而半導體冷凝除濕法，直接降低柜內空間的絕對含濕量，破壞凝露形成條件，但無法應對某些部件表面迅速降溫而先行凝露的情形。干燥氣源置換法基于以控濕為主、控溫手段做輔助備用的思想，利用轉輪除濕機制備干燥氣源、輸送至開關柜各個隔室，進行置換除濕，再配合加熱除濕技術實現全柜防潮、防凝露，目前該技術路線尚處方案階段[1]。

另外，對于增量開關柜建設項目，還可以考慮采用全絕緣充氣式環網柜開關設備，例如六氟化硫（SF6）氣體絕緣開關柜或者利用混合氣體、干燥空氣、氮氣、二氧化碳等作為絕緣氣體的環保氣體絕緣開關柜。對于高溫高濕高鹽等特殊環境應用場景，可以重點對內部電場及絕緣結構進行重新設計，以確保整柜滿足工頻耐受和雷電沖擊耐受絕緣水平[39]。

3 結束語

凝露是影響開關柜的安全和可靠運行的重要因素之一，為了探究開關柜內凝露的形成機理與防治方法，相關人員開展了大量的模擬計算、試驗驗證和現場檢測、施工操作優化以及加裝除濕設備等工作。本文結合華南地區氣象特點與凝露機理，對國內開關柜凝露問題的理論和技術研究成果進行了綜述，針對各關鍵部件總結了結構優化方向、試驗驗證技術，并對比了幾種常見的溫濕度控制方法優缺點，為電網企業管理現役開關柜設備以及采購新設備提供參考建議。主要有以下幾點。

（1）根據實際情況優化柜體結構設計、柜內設備與風道布局，在滿足散熱需求的前提下，適當提高防護等級，尤其要嚴格保障電纜室底部的密封性以防止水汽進入。

（2）通過布置凝露監測傳感器或加強巡檢力度，結合特征氣體和局放檢測手段，重點關注高凝露風險季節和長期處于備用或低負荷狀態的開關柜，排查部件缺陷和故障，保證設備選材及設計安裝合理性。

（3）對于在網開關柜，合理選擇位置布置監測傳感器和適宜的除濕設備，破壞凝露形成條件，保證滿足溫升要求；對于新投運的開關柜，采用具有更優通風效率的結構設計，并盡可能安裝在自然通風條件良好的區域，同時建議開展凝露和污穢工況驗證試驗檢驗設備性能，否則需要考慮采用全絕緣開關柜。