开关柜凝露问题研究的现状与进展

顾泽波，赵雪茹，郭 力

（中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510663）

0 引言

一般来说，凝露的形成有两种途径，一种是吸湿性污秽层吸水润湿，污秽层主要是可溶性盐和不溶性杂质，受到环境条件和降雨强度影响；另一种是由于外部环境或负荷变化导致物体表面温度低于环境露点，使得空气中的水分在物体表面凝结，此时凝露对象的比热容越小、散热面积越大，形成凝露的窗口期越短。开关柜的密封性有限且内部通风效率不高，水汽非常容易进入并在其中滞留累积，因而凝露问题也最为突出，直接影响柜内绝缘关键部件的耐压绝缘性能。

目前，探讨分析变电站内开关柜凝露问题及其治理方法的研究有很多，这些研究成果分别集中于部件凝露老化试验、监测控制和检测方法、防凝露涂料开发与验证、空气流动和电场仿真计算与结构优化等，较少系统性综述。本文主要围绕对开关柜绝缘安全性起到决定性作用的主要绝缘部件，例如绝缘子、穿柜套管、触头盒以及线缆等部件受凝露影响的失效问题与机理，对适合华南地区的防治技术，以及相关试验方法研究进展进行综述。

1 凝露机理

凝露问题是一种常见的自然现象。当开关柜内部空气绝对湿度较高，而设备或物体表面温度变化至低于露点、使得局部空气水蒸气含量达到饱和时，湿空气中的水蒸气便会在表面析出、凝结成水滴。

1.1 华南地区气象特点与监测

以广州市为例，年平均气温21.9℃，极端低温为0℃、极端高温达39.3℃，年平均风速仅1.9 m/s，年平均降水量1 695.9 mm，年平均相对湿度为78%，而且全年48%的时间里相对湿度在80%以上，是典型的亚热带湿热气候[2]。此外，由于城区和郊区的下垫面不同，会出现城市干岛和湿岛效应，表现为两地的水汽压差异，例如凝露湿岛出现时，城区夜间水汽压和气温均较郊区更高、而郊区相对湿度很高故凝露量更大[3]。同理，坐落于不同区域的开关柜局部微环境也有很大差异。因此，为了更好地掌握开关柜内部环境条件，有必要在已有气象监测站点的基础上，选取区域内典型设备进行温湿度布点监测。

此外，考虑到常规凝露传感器不适用于低湿区间且在污秽影响下灵敏度降低，建议受盐雾影响较大的地区，在柜内重点部位布置盐沉降量监测传感器，以掌握盐雾沉积和凝露情况[4-5]，为柜体结构改进和管理策略优化奠定基础。

一般来说，可以采用露点仪获取露点温度数据，但直接法露点测量设备价格较高，而不同类型的间接测量设备可靠性有一定局限，例如容易受到环境温度或对污染性气体的影响或不适用于低湿/高湿场景等。而且开关柜内部布置结构复杂、存在工况波动情况，传统空气露点监测手段的应用效果有限。

为了防止施工过程中破坏井口，首先在调压井口沿开挖边线修筑宽0.5 m、高0.5 m的混凝土锁口，再采用0.3 m3小型挖掘机配合人工从地面自上而下分层进行土方开挖，开挖土料通过导井倒入下部隧洞开挖掌子面，再通过扒渣机配合农用车通过开挖完成的隧洞运输至洞外弃渣场。井壁周边至导井口应有适当坡度，便于扒渣。调压井施工示意图见图2。

1.2 露点计算

大气环境的露点可根据本地气象站公开的干球、湿球温度测量结果由马格努斯（Magnus-Teten）近似公式转换得到，该方法在0～50℃范围内的误差在1%以内[6]。露点温度和饱和水汽压可由下式计算得到，

式中：t为露点温度，℃；tw为湿球温度，℃；Etw为湿球温度所对应的的纯水平液面的饱和水汽压；Ew为干球温度所对应的饱和水汽压，hPa；A为干湿表系数，℃-1，由干湿系数表查得；Ph为当地气压，hPa；T为绝对温度，℃；E为饱和水汽压，hPa。

更方便地，还可以根据Magnus公式，依据空气干球温度T和相对湿度RH计算露点温度Td，如式（3）～（4）所示。图1所示为依据计算结果所绘制的气温与露点温度温差趋势图。可见，当空气相对湿度达到70%时，大气温度为30℃时，露点温度仅比气温低约6℃，较易在气温波动的时候在短时间内形成凝露。

图1 空气温度与露点温度之差随气温及相对湿度的变化关系

式中：a=17.27℃；b=237.3℃。

2 关键部件失效问题与应对措施

考虑到凝露对各个部件的影响机理、危害程度及相应的改进策略各不相同，故分为箱柜、穿柜套管及触头盒、绝缘子、母线等高压导体逐个展开探讨。

2.1 箱柜

箱柜相关的主要应对措施有结合历史运行经验或仿真计算结果，优化柜体通风结构和设备布置，并保证柜体密封性，改善通风效率，具体如下。

凝露仿真方面，考虑到开关柜通常采用下进风上出风的散热形式，并将风机设在柜体的中插板、断路器室顶部或母线室顶部[7]，多数仿真模型物理结构以此为基础设定空气传质的进出口边界条件。西安交通大学唐强等对手车式KYN61-40.5 kV开关柜的气流场和湿度场进行三维仿真计算，结果表明母排入口及灭弧室、连接部位等导流路径上的空气运动剧烈、流速高于其他部位，如图2所示[8-9]，但触头盒筒壁内部和真空灭弧室处湿空气不易流出，更容易出现凝露问题，与实际击穿部位相吻合。通过计算不同凝露条件下触头盒局部电场分布发现，凝露导致的电场强度畸变不足以直接击穿空气，进一步结合周围环境分析发现事故变电站附近存在煤矿企业，含硫含氮的工业粉尘易在密闭空间内堆积形成干污秽，高湿度条件下形成凝露时则吸水润湿形成导电溶液，最终导致电晕放电和腐蚀问题，增加击穿概率。因此建议控湿防尘双管齐下、同时尽量将加热器和通风装置设置在靠近电缆室柜壁上。

图2 模拟得到的开关柜气流场流速

对于开关柜顶部凝露滴落导致闪络及通风不畅导致防凝露设备效果有限等问题，深圳供电局张炜等[10]对传统的共箱开关柜柜体流场分布进行建模，对比了不同结构设计对柜体内部流动特性的影响，提出适当加大柜体尺寸、顶部设计为斜坡状、进风口采用带导流槽结构等通风改进措施。还有技术人员在内部隔室加开百叶窗通风孔、开关柜顶部和母线桥架顶部泄压板上加开鱼鳞百叶窗[11]等方式，来减少内部局部湿空气滞留，增强通风对流效果。

密封处理方面，最重要的是保证底部电缆舱密封性，建议柜体基础底部采用不变形、不开裂的防火泥封堵材料，例如硅酮橡胶等[12-13]，电缆室内表面、底面及隔离墙双侧面均做防水处理[14]，配备事故通风装置，并在排风机上配置停机自密封闸板[1]。此外，现有开关柜防护等级多为IP3X或IP4X，可根据实际需求提高到IP55，比如采用双层具备保温功能的门结构、外门缝隙加装橡胶密封条，通风口处设置过滤棉，预留通讯和供电线孔并加装倒扣防护罩，内门镶嵌观察窗以减少开门次数等[15]。设计完成后，可进一步开展开关设备的凝露和污秽工况试验，考察试验样品的绝缘和带电耐蚀特性，试验标准参考GB/T 3906-2020或DL/T 593-2016[16]。

运营维护方面，在高凝露风险季节加强对长期处于备用状态、低负荷的开关柜巡检力度或者配备无线传输凝露在线监测装置，如图3所示[17]，重点关注日落后半小时至日出前半小时露水凝结段的运行情况[18-19]，以期及时发现并排除凝露隐患。

图3 温湿度监测无限传输装置结构[17,20]

2.2 穿柜套管及触头盒

开关柜穿柜套管和触头盒多采用环氧树脂为主绝缘介质，两者都属于“插入式”的电极布置方式，基体和法兰边缘电场十分集中。若套管或触头盒同时存在设计或安装缺陷及凝露水珠，则会形成局部集中电场，出现局部绝缘放电现象，造成绝缘材料（尤其是触头盒搭接缝处）热分解与电分解，同时触头触指和内部金属嵌件受潮氧化产生铜绿，如图4所示[21]。长期运行于高湿度、高盐、重污秽环境条件下，当绝缘材料老化到一定程度、尤其是系统过压时，将会造成套管及触头盒爆炸甚至母线严重放电、相间击穿和短路等故障事故[22-24]。

图4 屏蔽网附近裂纹及屏蔽网融化、变形

对此，一方面可以采取2.1节所述措施进行总体调控，另一方面还可以采用仿真方法计算电场分布、优化套管及触头盒结构[24-25]，同时利用传统的特高频局放检测手段，结合新型臭氧或可燃气体浓度检测手段，对套管缺陷进行定位和事故预警[26]。

此外，考虑到套管及触头盒的性能不仅受到由负荷变化和外部环境波动引起的凝露问题影响，还受高负荷工况的温升热老化效应影响，使得柜内温度总体具有冷热循环的特点。因此，可以采用热老化、冷热循环老化试验方法对套管及触头盒进行模拟加速老化，并对试验前后的样品进行工频电压干耐受试验和局放试验检验[27]，以此考察材料的绝缘耐久特性。为了减轻凝露对套管及触头盒的不良影响，提高其绝缘水平和运行可靠性，主要应对措施有选用高耐电痕性的优质阻燃憎水性绝缘材料或涂刷防污闪涂料，采用双屏蔽的绝缘设计，母线外部包覆绝缘和阻燃性能高的热缩套，用硅橡胶自粘胶带缠绕或在制造过程中采用流化床喷涂阻燃绝缘粉末[24,28-29]。

2.3 绝缘子

绝缘子起到固定支撑母线和绝缘的作用，由支撑芯体和复合外套、组成。按照材料类型可以分为硅橡胶复合绝缘子和电瓷、玻璃材料绝缘子3大类，其中硅橡胶绝缘子的应用最为广泛，具有湿闪污闪电压高的特点。

一般来说，在一定湿度范围内绝缘子的放电电压随湿度而升高，这是因为湿空气中水分子具有吸附自由电子的作用；而当绝缘子表面凝露时，则会发生沿面放电导致闪络电压降低。对憎水性的硅橡胶来说，局部放电首先发生在水珠、硅橡胶和空气的结合处，局部场强集中，绝缘子表面易产生强烈局部放电现象。此外，绝缘子表面的污秽使得表面更容易润湿，还会显著促进凝露液滴的融合，而且表面污秽凝露量越大，污秽层电导率越低，相应的闪络电压也越低。随着环境湿度的增加，当硅橡胶绝缘子表面的凝露表现为密集分布的大直径（1～2 mm）、大体积液滴，甚至形成直径2 mm以上的超大尺寸液滴或连续水膜时，局部液滴形态和电场严重畸变，进而出现火花放电现象，而且电晕放电与水反应生成的硝酸也是加速劣化的重要因素[30-31]。长此以往，绝缘表面憎水性遭受破坏、干区放电问题恶化，如图5所示，最终闪络电压大幅下降[31]。

图5 凝露干区放电现象

为了研究绝缘子表面凝露对绝缘特性的影响规律，可以根据在役开关柜内的盐密和灰密实测结果，对样品进行涂刷污秽前处理或利用超声波盐雾发生装置制造盐污沉积，利用人工气候箱内制造凝露条件开展交流污秽试验，研究凝露液滴分布特征及其对局放和闪络特性影响规律[32-33]。

为了减轻凝露问题对绝缘子的影响，相关措施有喷涂具有湿热环境耐久性的喷涂防污闪涂料[34]，改进不同盘径绝缘子组合以提高绝缘子串的抗污秽能力[35]，通过添加氢氧化铝（ATH）和氮化硼（BN）复合纳米粒子以改进硅橡胶耐电弧性[36]等。

2.4 母线等高压导体

高温高湿环境下，开关柜母线室母排尖端电场增强、绝缘净距离降低，设计阶段通常已经纳入考量，部分采用增加绝缘隔板的方式增加绝缘净距离。由于自身非发热热源、热容通常较低等特点，波动工况下的绝缘隔板表面温度通常低于母排而易吸湿凝露，反而导致闪络概率增大[37]。更严重的情况，由于设计或安装不当，静触头与母线搭接处长期受潮，将会导致搭接螺栓严重锈蚀甚至头部锈断、母排搭接接头出现铜绿，局部发热异常，逐渐发展为内部出现明显放电现象[18]。

隐患治理可以从以下几个方面入手，例如母排抛光清洗后现场表面电刷镀锡，不同部位的高压导体采用不同的倒角工艺进行处理，搭接处采用绝缘胶和绝缘包封盒双层绝缘处理[11]；又如抬高电缆室底部平面，以防外部积水渗入，并对电缆沟四角设置用于通风散热的篦子型盖板，封堵电缆进线孔洞等[14]，从源头上减少湿气进入母线室。

2.5 湿度控制方法

常见的湿度控湿手段大多采取加热法，部分采用半导体冷凝法，还有研究人员提出干燥气源置换法。目前，前两种方法应用较为广泛，但均存在防潮死区和各自的优缺点，并且需要优化安装位置、空气流通路径和控制策略才能充分发挥控湿作用。其中加热法通过提高内部空气容纳水汽的能力来达到控湿目的，由于柜内空气交换率较低，湿气容易滞留、累积，并在高湿条件下温度出现剧烈波动时，导致柜内局部凝露，而且温度过高不仅意味着高功耗，还会造成设备的绝缘老化问题[38]。而半导体冷凝除湿法，直接降低柜内空间的绝对含湿量，破坏凝露形成条件，但无法应对某些部件表面迅速降温而先行凝露的情形。干燥气源置换法基于以控湿为主、控温手段做辅助备用的思想，利用转轮除湿机制备干燥气源、输送至开关柜各个隔室，进行置换除湿，再配合加热除湿技术实现全柜防潮、防凝露，目前该技术路线尚处方案阶段[1]。

另外，对于增量开关柜建设项目，还可以考虑采用全绝缘充气式环网柜开关设备，例如六氟化硫（SF6）气体绝缘开关柜或者利用混合气体、干燥空气、氮气、二氧化碳等作为绝缘气体的环保气体绝缘开关柜。对于高温高湿高盐等特殊环境应用场景，可以重点对内部电场及绝缘结构进行重新设计，以确保整柜满足工频耐受和雷电冲击耐受绝缘水平[39]。

3 结束语

凝露是影响开关柜的安全和可靠运行的重要因素之一，为了探究开关柜内凝露的形成机理与防治方法，相关人员开展了大量的模拟计算、试验验证和现场检测、施工操作优化以及加装除湿设备等工作。本文结合华南地区气象特点与凝露机理，对国内开关柜凝露问题的理论和技术研究成果进行了综述，针对各关键部件总结了结构优化方向、试验验证技术，并对比了几种常见的温湿度控制方法优缺点，为电网企业管理现役开关柜设备以及采购新设备提供参考建议。主要有以下几点。

（1）根据实际情况优化柜体结构设计、柜内设备与风道布局，在满足散热需求的前提下，适当提高防护等级，尤其要严格保障电缆室底部的密封性以防止水汽进入。

（2）通过布置凝露监测传感器或加强巡检力度，结合特征气体和局放检测手段，重点关注高凝露风险季节和长期处于备用或低负荷状态的开关柜，排查部件缺陷和故障，保证设备选材及设计安装合理性。

（3）对于在网开关柜，合理选择位置布置监测传感器和适宜的除湿设备，破坏凝露形成条件，保证满足温升要求；对于新投运的开关柜，采用具有更优通风效率的结构设计，并尽可能安装在自然通风条件良好的区域，同时建议开展凝露和污秽工况验证试验检验设备性能，否则需要考虑采用全绝缘开关柜。