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高壓開(kāi)關(guān)柜作為電能分配設(shè)備在電網(wǎng)運(yùn)行中起著非常重要的作用，而開(kāi)關(guān)柜的絕緣能力是開(kāi)關(guān)柜能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。高壓開(kāi)關(guān)柜的絕緣能力除了本身的設(shè)計(jì)、材料和質(zhì)量因素外，柜內(nèi)運(yùn)行環(huán)境的溫度、濕度和凝露等惡劣環(huán)境因素引起的開(kāi)關(guān)柜絕緣事故屢有發(fā)生。

開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，柜內(nèi)凝露的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部絕緣性能下降，各類絕緣缺陷會(huì)逐漸發(fā)展為擊穿，釀成事故，對(duì)區(qū)域電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要影響。因此，解決開(kāi)關(guān)柜凝露對(duì)開(kāi)關(guān)柜安全運(yùn)行及電網(wǎng)穩(wěn)定十分重要。

當(dāng)前，高壓開(kāi)關(guān)柜的結(jié)構(gòu)日趨小型化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、帶電體的相間及對(duì)地距離縮小，因此對(duì)環(huán)境因素等要求相對(duì)較高。由于制造、運(yùn)行環(huán)境等原因，現(xiàn)有開(kāi)關(guān)柜多采用底板開(kāi)通風(fēng)口，后板和頂板密封的設(shè)計(jì)，加上運(yùn)行條件差，電纜溝內(nèi)部積水嚴(yán)重而且通風(fēng)不暢，特別是在相對(duì)濕度較大的沿海省份，溫度較高時(shí)水汽會(huì)上升至母線室而無(wú)法排出，溫度降低時(shí)容易在金屬和絕緣材料表面出現(xiàn)凝露進(jìn)而導(dǎo)致爬電現(xiàn)象的發(fā)生。

在高濕度環(huán)境中，空氣介質(zhì)的絕緣性能大大下降，同時(shí)高壓電極在高濕度環(huán)境中非常容易發(fā)生局部放電；固體絕緣材料在高濕度環(huán)境下，其絕緣性能發(fā)生很大變化，在局部放電影響下，固體絕緣材料的老化容易加速，而固體絕緣材料的電老化和環(huán)境老化通常是不可逆的。

放電產(chǎn)生的高能量會(huì)使空氣中的氧氣被電離產(chǎn)生臭氧，其溶于水后具有很強(qiáng)的氧化性，從而加速絕緣材料的老化，使放電區(qū)域擴(kuò)散。這一過(guò)程又會(huì)產(chǎn)生更多的臭氧，形成一個(gè)惡性循環(huán)。當(dāng)材料的絕緣性能下降到一定程度時(shí)就會(huì)形成短路，最終導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期在高濕度、高污染環(huán)境中運(yùn)行存在很大的絕緣故障隱患。

凝露的危害主要體現(xiàn)在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電力設(shè)備的箱體內(nèi)，如端子箱、開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱等。氣溫降低且濕度較大時(shí)極易在箱體內(nèi)部形成凝露，形成的水珠會(huì)附著在其內(nèi)部的金屬和塑料部分上，對(duì)設(shè)備造成的危害主要有以下幾點(diǎn)：

（1）在端子箱。機(jī)構(gòu)箱內(nèi)二次接線端子排上形成的露水對(duì)端子排上的金屬導(dǎo)電部位造成腐蝕，腐蝕較重或混入灰塵等其他雜質(zhì)后易造成交直流短路接地，直流接地對(duì)開(kāi)關(guān)柜的穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大的危害。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，直流接地多是有水附著在帶電部位上造成的，而且更嚴(yán)重的凝露會(huì)造成端子排上兩根二次線之間的短接，如果恰好是開(kāi)關(guān)跳閘回路則會(huì)立即引起開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作，造成停電事故。

（2）在開(kāi)關(guān)或刀開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)上形成的凝露會(huì)腐蝕機(jī)構(gòu)內(nèi)的金屬部件，影響機(jī)構(gòu)的使用壽命，甚至因銹蝕而造成機(jī)構(gòu)卡澀，導(dǎo)致接地開(kāi)關(guān)或隔離開(kāi)關(guān)在分合時(shí)機(jī)構(gòu)不能運(yùn)行到位，如果因此使得開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭慢分慢合，則會(huì)釀成極大的電力事故，尤其是開(kāi)關(guān)久未操作時(shí)銹蝕現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。

（3）開(kāi)關(guān)柜一般更注重通風(fēng)，所以室內(nèi)溫度、濕度受室外環(huán)境影響較大，而柜內(nèi)絕緣子多沒(méi)考慮防水性，在其上有凝露的話會(huì)降低其絕緣性，甚至可能導(dǎo)致爬電或閃絡(luò)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)行。尤其是有的設(shè)備處于停運(yùn)狀態(tài)，其內(nèi)部溫度更低，更易在其表面形成凝露，此時(shí)一旦送電，將極易發(fā)生事故。

目前的仿真分析中，僅僅關(guān)注開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的溫度分布，對(duì)于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度、濕度耦合計(jì)算的數(shù)值模擬研究關(guān)注較少。

為了明確開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部凝露的形成過(guò)程，西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院的研究人員采用COMSOL Multiphysics軟件建立了三維高壓開(kāi)關(guān)柜電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)-濕度場(chǎng)耦合計(jì)算模型，計(jì)算了開(kāi)關(guān)柜在導(dǎo)體正常工作流過(guò)大電流時(shí)內(nèi)部元件的溫度分布，同時(shí)仿真研究開(kāi)關(guān)柜在外界環(huán)境相對(duì)濕度為0.8時(shí)的濕氣擴(kuò)散過(guò)程，得到開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部元件的相對(duì)濕度分布。

圖1 開(kāi)關(guān)柜三維仿真模型

圖2 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫度分布

圖5 增加加熱裝置后開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫度分布

仿真結(jié)果表明，斷路器觸頭盒表面溫度較低，濕度分布較高時(shí)，極易發(fā)生凝露。此外，通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)采用加熱和通風(fēng)裝置可以有效降低觸頭盒的表面濕度，提高觸頭盒表面溫度，是一種可以減少開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部元件凝露發(fā)生的有效方法。加熱和通風(fēng)裝置的最優(yōu)布置方式為同時(shí)安裝在靠近觸頭盒和套管的開(kāi)關(guān)柜柜壁上，對(duì)于降低觸頭盒表面凝露的效果優(yōu)于設(shè)置單一的加熱或通風(fēng)裝置。

圖6 選取的觸頭盒和套管表面

圖9 增加通風(fēng)裝置后開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部相對(duì)濕度分布

研究人員最后得到以下結(jié)論：

• 1）開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的母排溫度升高最快，三相觸頭盒溫度分布不均勻，遠(yuǎn)離隔板的觸頭盒溫度升高（最高為308K）均低于靠近隔板的觸頭盒溫度升高（最高為318K），主要是由于遠(yuǎn)離隔板的觸頭盒與空氣接觸面積大，易于散熱。
• 2）絕緣材料的吸濕要快于金屬材料，觸頭盒因其局部的中空結(jié)構(gòu)不易排濕，因此其表面相對(duì)濕度更高，更容易形成凝露。
• 3）增加通風(fēng)裝置可以有效地降低觸頭盒表面的相對(duì)濕度；局部增加加熱裝置可以有效提高觸頭盒表面的溫度，二者配合可以大大降低觸頭盒發(fā)生凝露的概率。
• 4）加熱裝置和通風(fēng)裝置的最優(yōu)安裝位置均為同時(shí)靠近觸頭盒和套管的開(kāi)關(guān)柜柜壁上，對(duì)于降低觸頭盒表面凝露的效果優(yōu)于設(shè)置單一的加熱或通風(fēng)裝置。

以上研究成果發(fā)表在2019年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高壓開(kāi)關(guān)柜溫濕度分布的三維數(shù)值模擬研究”，作者為李元、薛建議、任雙贊、劉晶、張冠軍。