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            开关柜凝露现象机理分析研究

            刘若溪1,白宝军2,郭 沁3,耿江海4,程 序1,车 瑶1

            桂媛1,徐兴全1,郭卫1

            (1.国网北京市电力公司,北京100075; 2.鄂尔多斯电业局变电管理一处,内蒙古鄂尔多斯017000; 3.华北电力大学电气与电子工程学院.河北保定071003; 4.河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003)

             

             

            摘 要:关柜内部产生凝露时,会使零部件腐蚀和电气设备绝缘性能下降,引发设备绝缘闪络等。针对上述现象,在人工环境气候室内搭建了开关柜凝露观测系统,记录了开关柜内不同温湿度条件下凝露形成时间。结果表明:凝露形成时间是由柜内温度和相对湿度共同决定的,柜内温度越高、相对湿度越大,凝露形 成时间越短。文中分析了含湿量与温度和相对湿度的关系,得出含湿量随温度和相对湿度的升高而增大, 从理论上解释了凝露形成时间与温湿度之间的关系,证明了试验结果的准确性。

            关键词:关柜;观测系统;凝露时间;温度;相对湿度;含湿量

             

            0 引言

            开关柜作为开合、控制和保护用电设备的重要装置,在电力系统发电、输电、配电和电能转换的过程中起着至关重要的作用。然而,在高温高湿、低温高湿等情况下,开关柜内部极易出现凝露现象导致零部件腐蚀和电气设备绝缘性能下降,影响其机械、电气性能,甚至导致绝缘件表面产生沿面放电而引发事故。

            目前,国内外主要从凝露的危害及防凝露措施方面对开关柜等柜式电气设备进行了研究。在凝露危害方面.文对开关柜和端子箱闪落、误动作和停电等事故进行了分析,认为凝露现象引起零部件腐蚀、电气设备绝缘性能下降以及二次线短接是导致事故发生的主要原因;文通过工频耐压、雷电冲击等试验,得出凝露会使设备电气性能下降,并且凝露产生的电场畸变会使放电起始电压降低。在凝露预防方面,文提出在设备表面涂覆干燥剂和超疏水材料进行防凝露,并通过试验说明了该方法可减慢凝露的形成;文采用安装加热器、除湿机、转轮除湿、电解水分等方法降低柜式设备内相对湿度,达到防凝露的效果;文利用温湿度控制器实现户外设备内温湿度的智能控制,破坏凝露形成的条件,防止凝露产生。

            由此可知,国内外尚未开展开关柜等柜式设备凝露发展规律的试验研究,并且对凝露现象机理分析研究也相对较少,因此,文中以ABB UniGear ZS1开关柜为研究对象,在人工气候环境试验室搭建开 关柜凝露观测系统,记录开关柜内不同温湿度条件下凝露形成时间,研究凝露的发展规律,并从空气含湿量与温度和相对湿度的关系对凝露发展规律进行理论分析。

            1 凝露观测系统

            凝露是由于高温、高湿的气体在遇到低温物体时,当达到露点温度而在其表面液化的现象。在电力系统中,凝露是指各种机构箱、配电柜和开关柜等高压电路设备的柜体内壁表面温度下降到露点温度以下时,内壁表面会发生水珠凝结的现象。因此,进行凝露试验时,需控制开关柜内温度、湿度以及环境温度。

            文中首先搭建了凝露观测系统,主要包括:人工环境气候室、风机、温度传感器、开关柜、温湿度控制器、加热器、加湿器、水分检测试纸CCD摄像机、计算机,见图1。其中,人工环境气候室结构尺寸为864m通过风机实现温度控制,其温度调节范围为-2040℃、精度为±0.3℃,用于模拟实际环境温度;温度传感器测温范围为-2070℃、精 度±0.2用于检测气候室内温度;开关柜结构尺寸为0.8m×l.342.2m作为实验设备;温湿度控制器通过连接加热器和加湿器实现开关柜内温湿度控制,其温度调节范围为-598℃精度为±0.2℃;相对湿度调节范围为1%98%、精度为±2%;水分检测试纸用于检测是否有凝露产生(当有凝露产生时,试纸将由橙红色瞬间变为黄绿色),CCD摄像机联合计算机用于观测并记录柜体内壁凝露时间。


              

            凝露观测系统

            2 试验结果

            试验过程中,保持开关柜内外温差为20:,柜内温度分别设定为10203040相对湿度分别设定为60%70%80%90%,记录开关柜内温湿度及拒外温度从设定值到柜体内壁形成凝露的时间,见表1

            不同柜内温湿度条件下凝露时间

             


            提取数据曲线见图2

            图2  凝露时间与柜内温湿度关系

            由表1和图2可知:当柜内温度不变时,相对湿度越大,形成凝露所需时间越短。以柜内温度为20为例,相对湿度为60%70%80%90%的凝露时间依次为3924106min,可见,随着柜内相对湿度的增大,凝露形成时间的减小速率逐渐越小。

            当相对湿度不变时,柜内温度越高,形成凝露所需时间也越短。相对湿度为70%时,柜内温度为10203040的凝露形成时间依次为38241612min,由此可见,随着柜内温度的升高,凝露形成时间的减小速率也逐渐越小。

            由表1中柜内温度为30、相对湿度为60%时,凝露形成时间为27min,介于柜内温度为20、相对湿度为80%时的凝露形成时间10min和柜内温度为10、相对湿度为70%时的凝露形成时间38min之间可以得出:凝露形成时间与柜内温度和相对湿度不是单一的对应关系,而是由它们共同影响。

            3 理论分析

            为进一步分析温湿度对凝露现象的影响规律,将湿空气视为理想气体,从湿空气含湿量与其温度和相对湿度之间的关系进行说明。

            由道尔顿定律可知

             

            而根据理想气体状态方程

             

            可得

             

            含湿量为单位质量绝干空气所带有的水气质 量,其表达式为

             

            相对湿度为湿空气中的水气分压与同温度下 水的饱和蒸气压之比的百分数,其表达式为

             

            则含湿量H与相对湿度的关系为

             

            (1)-(6)中:p1ppg分别为湿空气总压(大气压)、水气分压和绝干空气分压,Pan,ng分别为水气和绝干空气摩尔数分别为水气和绝干空气质量,kgMMg分别为水气和绝干空气摩尔质暈,kg/molH为湿空气含湿量,g/kgφ

            根据Antoine方程可得水蒸气饱和蒸汽压计算公式为

             

            (7)中:Ps的单位为mmHg(lmmHg=133.28Pa)t的单位为;由所研究温度区间和精度选取参数,A8.10765B1750.286C 235

            由式(6)(7)可知,含湿量H打为温度t和相对湿度的φ的函数,不同温度条件下的含湿量见图3

              

            含湿量曲线图

            由图3可知,当相对湿度不变时,柜内温度越高,空气含湿量越大;当温度不变时,相随湿度越高,空气含湿量也越大,并且,含湿量是由温度和相对湿度共同影响的。

            开关柜内外温差保持不变时,柜内温度一定,则柜体内壁温度也一定,其对应的饱和含湿量也就相同,此时,若相对湿度越大,则空气所包含的水分越多,更易在温度相同的柜体内壁达到饱和而析出水分,凝露形成时间更短;而当相对湿度一定时,柜内温度越大,则空气含湿量也越大,高温的空气遇到柜体内壁时也更易形成凝露。因此,因此,可以从减小开关柜内温度和相对湿度两个方面防止凝露现象产生。

            由图3和表1还可得出,温度降低时,空气饱和所需的水分也减少,所以,当柜内空气温度很大时,即使相对湿度较小,也能在温度较低的柜体内壁产生凝露,如表1中温度为40、相对湿度为60%时,凝露时间为21mm;而柜内空气相对湿度越高,湿空气越趋向于饱和,当该空气遇到温度较低的柜体内壁时也能形成凝露,因此,当柜内空气相对湿度很大时,即使温度较低,也能产生凝露,如表1中相对湿度为90%、温度为10时,凝露时间为9min

            4 结论

            文中在人工环境气候室内搭建了开关柜凝露观测系统,记录了开关柜内不同温湿度条件下凝露形成时间,并分析了含湿量与温度和相对湿度之间的关系,得出如下结论:

            1)凝露形成时间与柜内温度、相对湿度不是单—的对应关系,而是由二者共同影响。

            2)当柜内相对湿度不变时,柜内温度越高,则空气含湿量越大,更易在温度相同的柜体内壁达到饱 和而析出水分,凝露形成时间越短。

            3)当柜内温度不变时,柜内相对湿度越高,空气含湿量越大,也更易析出水分,凝露形成时间也越短。

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