开关柜内凝露现象数值模拟研究

陈荣 闫新 严玮 张弛 刘巍 杨昆

（1国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384 2华中科技大学 能源与动力工程学院 湖北武汉 430074）

开关柜内凝露现象数值模拟研究

陈荣1闫新2严玮1张弛1刘巍2杨昆2

（1国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384 2华中科技大学 能源与动力工程学院 湖北武汉 430074）

对开关柜中的凝露现象进行了数值模拟研究，建立了开关柜中湿空气凝露现象的数学模型，分析了开关柜内湿空气初始相对湿度、外界环境温度、开关柜壁面与外界环境间的对流换热系数、冷凝壁面的位置等因素对开关柜内凝露现象的影响，结果表明：开关柜的初始空气相对湿度越大、环境温度越低、壁面与环境之间的对流换热系数越大，则冷凝速率越大。在本文模拟的情况中，当开关柜顶部与左壁面热边界条件相同时，在开关柜顶部更容易产生凝露。

开关柜；凝露；湿空气；数值模拟

在我国，开关柜是一种应用广泛的电力设备，应用于城市供电、配电系统中。但由于其工作环境特殊，柜内容易产生凝露，凝露的产生对开关柜的安全运行有很大危害。文献[1-3]指出柜内凝露的产生会导致内部绝缘性能下降，各类绝缘缺陷会逐渐发展为击穿，酿成事故。文献[4]指出开关柜等内部设备长时间在潮湿的环境中运行，极易造成机构部件特别是铁质部件的锈蚀，而导致开关机构无法操作，酿成事故。

本文将开关柜简化为闭口腔，研究不同的湿空气相对湿度及不同边界条件下，开关柜内湿空气的凝露现象，对开关柜柜内凝露的防治具有一定参考意义。

1 物理模型

图1 开关柜计算模型

图1给出了本文的开关柜计算模型，为二维闭口腔，其高宽比为2:3，腔内部为湿空气。

2 数学模型

2.1 模型的假设

本文建立的数学模型中,采用了如下几点假设。

2.1.1 忽略冷凝水的热阻和冷凝水对流动的影响；

2.1.2 凝露现象在壁面发生，并且仅当壁面温度低于湿空气的露点温度时产生凝露；

2.1.3 固体壁面上采用无滑移边界条件。

2.2 边界条件及数值计算方法

进行计算。

3 计算结果及分析

本文主要研究了开关柜内初始湿空气浓度、外界环境温度及对流换热系数对开关柜中凝露现象的影响。

3.1 湿空气初始相对湿度的影响

开关柜左右壁面采用定璧温边界条件，Tleft=285K，TRight=312K，上下壁面为绝热。图2给出了湿空气初始温度为300K，初始相对湿度为90%，计算时长为10000s时开关柜内部湿空气的温度分布图。

从图2可以看出，由于左右壁面温差，在开关柜内部产生了自然对流。左侧壁面温度较低，凝露发生在左壁面处，图3给出了采用相同边界条件下，初始相对湿度分别为90%，70%，50%对应的水蒸气冷凝速率的变化情况。

从图3中可以看出，随着水蒸气的逐渐冷凝，开关柜内水蒸气的含量减小，冷凝速率逐渐减小，当冷凝壁面的温度高于湿空气露点温度时，冷凝速率减小到零。初始相对湿度越大，冷凝速率越大，冷凝完成所需时间越长，这是因为湿空气相对湿度越大，对应的露点温度越高，在相同壁面温度条件下，冷凝速率越快，水蒸气质量减少越快，但由于水蒸气含量较大，冷凝完成所需时间也越长。

图2 开关柜内部湿空气温度分布

图3 不同初始相对湿度下冷凝速率变化

3.2 环境温度的影响

实际应用中，柜体壁面温度受外界环境温度影响较大，为此，将开关柜左壁面取为第三类边界条件，假定左壁面与外界环境的对流换热系数，环境温度随时间变化。

图4给出了初始相对湿度分别为90%，70%时的冷凝速率变化情况，从图中可以看出冷凝速率随时间先增加，后逐渐降低，这主要是因为模拟刚开始时温度较高，凝露不易产生，随着时间的增加，外界环境温度降低，壁面温度也随之降低，冷凝速率逐渐增大，冷凝过程持续一段时间后，开关柜内水蒸气含量下降，水蒸气所占分压降低，对应的露点温度降低，冷凝逐渐难以发生，速率逐渐降低至零。

图4 冷凝速率变化

3.3 壁面与环境间对流换热系数的影响

图5 不同对流换热系数下壁面温度变化

壁面与环境间对流换热系数对壁面的温度变化影响很大，从而影响开关柜内部水蒸气冷凝速率。为了更容易分析凝露的影响，假设环境温度较低，湿空气初始相对湿度为90%，改变壁面与环境的对流换热系数进行模拟。

图6 水蒸气平均质量分数变化

图5给出了流换热系数分别为10、15、20w/m2.K时的左壁面温度变化，图6给出了开关柜内水蒸气平均质量分数变化。从图5、6中可以看出，对流换热系数越大，水蒸气质量减少越快，这是因为对流换热系数越大，左壁面温度越接近于环境温度，当环境温度较低时，冷凝越容易发生。但对流换热系数越大，水蒸气含量减少越快，相应的露点温度降低越快，壁面发生冷凝条件逐渐变苛刻，所以在经历了一定时间后，在低对流换热系数时水蒸气质量分数会下降得更为缓慢。

3.4 顶部及左壁面同时凝露分析

实际应用中，开关柜顶部通常也会发生凝露，将上壁面边界条件改为与左壁面相同，均为第三类边界条件，开关柜内空气初始相对湿度为90%，研究此时的凝露情况。图7给出了开关柜内温度场，图8给出了上壁面和左壁面冷凝速率的变化情况。

图7 开关柜内部流体温度分布

图8 左壁面、上壁面冷凝速率变化

从图8中可以看出，当左壁面、上壁面采用相同的热边界条件时，上壁面更容易产生冷凝，冷凝速率更大。分析柜体内部温度分布图可以看出，由于右壁面为加热壁面，右边的湿空气先被加热，流经顶部后再沿左壁面流动。因此，随着湿空气的流动，首先在上壁面处产生凝露，使得水蒸气含量下降；当湿空气流动到左壁面时，贴近壁面的湿空气中水蒸气含量已经很低，相应的露点温度也较低，这就使得左壁面不易产生凝露，左壁面处的冷凝速率要低于上壁面。

4 结论

本文采用数值模拟的方法对不同工况下，开关柜内湿空气的冷凝进行了研究，得出以下结论。

4.1 开关柜的初始空气相对湿度越大，壁面越容易发生冷凝情况，冷凝速率也越大，对开关柜而言，防止凝露应尽量减少内部空气湿度。

4.2 环境温度越低、开关柜壁面与环境之间的对流换热系数越大，开关柜中越容易产生凝露，凝露的速率也越大。因此可以尽量减小开关柜壁面与环境之间的换热以防止开关柜内凝露的产生。

4.3 开关柜中湿空气自然对流的情况与开关柜壁面的热边界条件共同决定了开关柜中易产生凝露的部位。对本文模拟的情况，当开关柜顶部和左壁面热边界条件相同时，在开关柜顶部更容易产生凝露。

[1]周加斌,陈玉峰,朱文兵.湿度对高压开关柜内绝缘影响的试验研究[A].中国电机工程学会.2013年中国电机工程学会年会论文集[C].中国电机工程学会,2013:6.

[2]李英奇,王战红,梅超美,陈琦,唐炜,郗亮.一起开关柜凝露闪络事故分析与预防措施[J].陕西电力,2009,04:51-53.

[3]罗宣国,夏丽建.电气设备的防凝露技术研究[J].可再生能源, 2014,04:489-492.

[4]麦琳.环网柜防凝露方法探讨[J].科技风,2013(22):23-29.