开关柜内凝露现象研究的发展综述

2018-09-20袁博

价值工程 2018年29期

袁博

摘要：开关柜内的凝露现象一直是工程应用中的一个实际问题。传统上主要采用通风、抽湿等物理方法来降低开关柜内湿度，或者在柜内安装加热器，升高柜内温度以达到减少凝露的目的。但这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产生，实际应用效果并不理想。随着自动控制技术与计算机技术的发展，近些年对于这一实际问题有了更深入的研究。文章总结了近些年与之相关的一些研究成果，着重介绍了开关柜内湿度、温度描述方法与凝露控制方法的一个进展，并指出了已有方法的优缺点，并对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.

关键词：凝露；开关柜；环境控制；温度；湿度

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

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0271-04

0 引言

电力系统中的凝露现象是指当空气中水分含量达到一定程度时，空气中的水蒸气会在温度较低的各类电气设备上凝结的现象。由于南方地区空气潮湿，存在回南天这一特殊天气现象，使得结露现象格外严重。电力系统中，开关柜的凝露现象会直接影响到电气设备的正常运行，增加用电安全隐患。开关柜内长期的凝露现象还会造成金属设备腐蚀以及绝缘设备老化等问题，影响其机械、电气性能，甚至导致绝缘件表面产生沿面放电，从而造成漏电或触电事故。

在电网运行中，凝露引发的开关柜事故一直以来屡见不鲜。如在2008年8月，一所110kV的变电站内就发生了一起因凝露闪络导致的10kV小车式开关柜烧毁的事故。而在2016年9月，另一所110kV的变电站内，凝露闪络又一次导致了35kV母线差动保护动作跳闸。全国各地凝露导致的事故均有发生，除了南方地区以外，沿海城市由于湿度较大，凝露导致的事故也很严重。通过相关文献可知，在天津地区由于凝露而导致开关柜局部放电严重的案例也占22.22%以上[1-3]。所以，凝露现象严重危害着电网的安全运行，对于这一问题的研究具有十分重要的意义。

由于针对开关柜内凝露这一实际问题的深入研究需要用到大量交叉学科内容，所以虽然这一问题研究了多年，但能用于实际的方法依然比较单一局限，而且效果也不甚理想。现存的相关研究论文虽然较多，但相对比较混杂，基于此，本文以综述的形式从凝露现象的机理出发，介绍了开关柜内温湿度的预测方法、防止开关柜内凝露的传统措施与近几年的研究进展，并重点介绍了流体力学，热力学等理论与此实际问题结合的应用前景。

1 开关柜内凝露现象的原理

结露是一种自然现象，可以用相对湿度和露点温度作为评价指标来进行描述。开关柜内的结露现象被称为凝露，产生原因有其特殊性。

1.1 基于相对湿度的描述

柜内相对湿度与柜内的含湿量和温度有关。柜内含湿量的变化主要来源于外界环境空气的流动和室内外地沟积水的蒸发作用。柜内温度的变化主要来源于柜内外环境空气的对流和柜内导线的热效应。其中，导线电流的热效应使得开关柜内等效于存在热源，通过辐射、对流和熱传导的方式向空气传热，使得柜内温度分布情况复杂，凝露产生的位置也因此复杂多样。柜内环境温湿度参数分布的不均匀，最终导致在电缆地沟、开关柜内壁、开关柜顶部、绝缘套管内部等位置易产生凝露。

当物体附面层内空气中的相对湿度达到100%时，水蒸气就会在物体表面产生凝结，即结露，可表示为：

RHK=100%（1）

其中， RHK—结露表面附面层空气的相对湿度。

1.2 基于露点温度的描述

结露现象也可以用露点温度进行描述。由于水蒸气在很多情况下存在边界凝结，当湿空气与低于其露点温度的固体表面接触时，就会发生凝结现象，即结露，可表示为：

其中，Tb—结露表面的温度；Td—结露表面附面层空气的露点温度。

结露表面的温度可利用贴片式温度传感器测量得到，结露表面附面层空气的露点温度则可以近似利用干湿球法得到。具体方法如下：

将电力设备内的环境看作一个热力学系统，在处理具体热力学问题时，为了使问题简化，可忽略一些不重要的因素而近似地把系统视为孤立系统。

假设取温度t由0～40，取相对湿度RH（%）由40～100，则：T为273.15～313.15，带入（3）、（4）、（5）可得仿真结果如图1。

通过以上仿真图可以直观看出在露点温度描述下凝露产生的条件，即：当馈线柜表面温度低于露点温度（馈线柜温度位于图形下方）时，产生凝露，当馈线柜表面温度高于露点温度（馈线柜温度位于图形上方）时，则不产生凝露。

2 开关柜内凝露现象的研究近况

2.1 开关柜内凝露现象现状与分析

在研究开关柜内凝露问题时，只需在假设其他参数不变的条件下，对柜内湿度、温度进行描述及预测。现有文献主要从柜内凝露现象出发，分析了凝露现象产生的機理，并通过理论计算、模型试验和数值模拟等方法研究了不同因素对凝露现象的影响，根据数值模拟结果提出了减少柜内凝露的一些措施。现有的文献有些是针对户外环网柜进行的研究，有些则是针对开关房内的开关柜进行的分析。

电缆箱是户外环网柜易产生凝露的位置之一，环网柜电缆箱内凝露的原因主要分为两种。当电缆箱内形成液滴但箱内部件无其他异常时，主要是由于电缆箱内的高湿空气造成的凝露，即普通的结露。当电缆箱内除了形成液滴还伴有箱内金属部件严重腐蚀，绝缘材料严重老化时，凝露往往是电晕放电的副产物。电晕放电使空气中的水蒸气液化，形成液滴，然后液滴变为酸性，最终造成腐蚀和老化[4]。除了对于现象的直接观察与分析，近年来，模型试验和数值模拟对于研究影响凝露现象的因素，探究改善凝露的措施方面也有了一定成果。如：有文献在人工环境气候室内搭建了环网柜二次小室凝露现象研究实验系统，研究了凝露表面粗糙程度对凝露现象的影响[3]。也有研究人员采用计算流体力学（CFD）数值模拟方法对开关柜内的流场进行分析，提出了具体的改善措施，如：有文献仔细描述了户外环网柜RMU中凝露产生的具体过程，并通过有限元分析建立了一个3D流场模型，得到了减少RMU凝露的措施，即增大RMU的原始尺寸和优化通风入口的形状会有助于加强自然通风，从而减少户外环网柜RMU内凝露[5]。

针对开关柜内凝露现象，也有学者进行了相应的数值模拟，建立了开关柜内湿空气凝露现象的数学模型，通过对开关柜顶部与左壁面的数值分析，得到了边界条件相同时顶部更易产生凝露的结论[7]。

从已有的文献中，可以得到开关柜内凝露现象产生的原因，分析出凝露现象易产生的位置，但还不能对开关柜内非均匀环境湿度、温度进行有效描述，也没有能得出实际凝露控制所需的边界条件。目前相关研究还较少。

2.2 非均匀环境湿度、温度的描述及预测方法

为实现对开关柜内凝露现象的有效控制，首先需要对开关柜内的非均匀环境湿度、温度进行描述，找出用于凝露控制的凝结边界条件，但相关文献较少，所以在对柜内湿度、温度进行描述及预测时可以考虑参考室内非均匀环境湿度、温度的描述及预测的方法。

传统的室内空气环境通常采用射流理论计算和模型试验进行预测。其中射流理论计算大多适用于简单气流流型，当气流组织较复杂时计算的准确性就较差。相较于理论计算，模型试验适用性广，结果可信度较高。近年来PIV、VPTV等技术就被应用于室内空气流动的试验分析中。

随着计算机技术的发展，CFD数值模拟方法也被广泛用于室内空气流动以及非均匀环境湿度、温度的描述及预测。相较于理论计算与模型试验方法而言，数值计算方法代价低、周期快、数据信息丰富，已成为室内空气环境预测的趋势[8]。有学者还针对湿空气中温度和相对湿度，对CFD求解算法进行了相应的改进，提高了数值模拟精度[9]。目前，有少量文献已经将CFD数值模拟方法用于电力相关的湿度、温度环境的描述中。如：有学者搭建了电气设备试验环境室，利用CFD技术对其内部流场、温度场、湿度场进行了数值计算和模拟，为电气设备环境实验室内部气流组织布置和参数设计提供了一定理论基础[12]。也有研究人员利用CFD技术对配电室通风室内的温度场进行了数值模拟，并与实测数据进行对比，做了可靠性分析[13]。对于开关柜内非均匀环境的描述，这一方法在之后的研究中可被借用。

2.3 开关柜内凝露的控制方法

2.3.1 传统控制方法

这里主要讨论开关房内的开关柜的凝露控制问题。传统开关柜内防凝露设计主要考虑确定开关柜内的凝露边界条件，通过控制开关柜内的温湿度参数，来防止柜内凝露的产生。主要思路有三种：一种是升高柜内易凝露表面的温度；一种是降低开关柜内易凝露表面附面层空气温度；一种是降低易凝露表面附面层空气含湿量。具体控制系统的设计主要通过以下两种方式。

一种方法是采用开关柜内温度和湿度指标来控制开关房内的空调或者抽湿机，从而破坏开关柜内凝露产生的条件。如：有研究人员根据凝露机理，提出通过低温与高湿起控的方法，扩大环境温度与露点温度的差值来预防凝露的发生。由于开关房内本身存在空调与抽湿设备，所以低温与高湿起控的方式可以在不加装其他设备的情况下达到防凝露的目的，具体思路清晰简明，节省成本，可操作性强。但由于开关柜内湿度、温度分布不均匀，多个变量之间存在耦合关系，同时柜内外对流传热存在时间差，温湿度测量的精度不够等问题，使得不易使用集总参数的方式确定起控条件，具体实施效果均不理想。针对这些不足，可以考虑对开关柜内湿度、温度进行理论计算和数值模拟，建立更精确的数学模型，确立更合理的凝露边界条件从而改善实际应用效果。

另一种方法是在开关柜内加装防凝露设备来控制开关柜内的温湿度。市面上一般采用传统凝露传感器或者传统凝露控制器来实现这一功能，主要原理是通过在开关柜内加装加热器，在易凝露固体表面（如陶瓷基板）安装凝露传感器，传感器采用高分子电阻材料，遇水电阻变大，电信号改变，加热器起动，从而控制柜内温度，达到防止凝露的目的[10]。但使用这种方法只有在凝露后才能起动加热器，此时已不具有预见性。同时，由于电力行业的特殊性，升高柜内温度会带来更多安全隐患。

综上所述，现有的通过控制开关柜内湿度、温度的方法都存在自身的局限性，实际应用效果不佳，还需对凝露边界条件，柜内温湿度流场作进一步研究。

2.3.2 半导体热电制冷除湿

由于传统的凝露控制方法效果不佳，所以有研究人员利用半导体热电制冷除湿技术，研发了小型智能控制防凝露除湿装置，通过局部制造凝露条件，使柜内潮湿空气凝露成水排出柜外[11]。这种方法主要利用了半导体制冷技术，可快速有效地降低电气柜内空气湿度及抑制凝露现象的产生。比起传统控制方法，这种方法的效果相对更好，但需要加装设备，在大量制冷的情况下，半导体制冷的效率较低。同时半导体材料造价较贵，在开关柜内大量使用会导致凝露控制的成本较高。

3 文献综述小结

随着技术的发展，开关柜内的凝露现象的研究除了传统方法以外，有了新的解决思路。综合来说，防止凝露的产生需要考虑到以下几点：第一，利用露点温度作为凝露边界条件控制柜内凝露时，主要考虑热惯性带来的凝露表面温度与凝露表面附面层空气温度差对于开关柜内凝露的影响；第二，利用相对湿度（或含湿量）作为凝露边界条件控制柜内凝露时，主要考虑凝露表面附面层空气的相对湿度是否达到100%；第三，由于不是达到凝露条件即会马上在凝露表面结露，所以在研究时要考虑达到凝露产生条件后需要多久才会产生明显结露。理论上的解决方法如下：第一，可以考虑升高水蒸气凝结表面的温度；第二，可以想办法降低凝露表面附面层的温度或者含湿量；第三，可以增加开关柜内外空气的自然对流；第四，由于固体的热惯性与其本身比热容和质量有关，所以考虑对易凝露表面的材料进行改进。