杨芳，潘岐泽

(广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远 511518)

摘要：针对12kV高压开关柜受潮凝露现象会导致其内部电气设备发生严重故障这一问题，文中对其受潮凝露防治技术进行了探讨，并设计了研究方案。首先，从开关柜受潮凝露发生的机理出发，总结了目前3种主要的开关柜受潮凝露防治方法，包括加热除湿法、冷凝除湿法和干燥空气除湿法，并对它们的优缺点进行了简要分析。其次，基于其中性能最优的干燥空气除湿原理，对开关柜受潮凝露防治技术进行了研究，包括对干燥气源技术的研究及其装置方案的设计，以及柜内空气强制流动技术的研究。然后，对基于干燥空气除湿技术的开关柜受潮凝露防治监测和控制系统进行了方案设计。最后，给出了开关柜受潮凝露现象防治措施，并对其未来发展进行了展望，认为干燥空气除湿技术具有广阔的研究空间。该研究对开关柜受潮凝露现象防治研究具有一定的参考价值和指导意义。

关键词：高压开关柜；受潮凝露；干燥空气除湿技术；监测控制系统；防治措施

0  引言

12 kV高压开关柜作为一种广泛应用到城市供电、配电系统的电力设备，其内部环境的温度、湿度 的变化，以及气密性的完备等都会影响其正常运行状态。当开关柜进行检修时，不可避免地会造成外部的潮湿空气进人到柜体内部，从而导致开关柜的内部极易发生受潮凝露现象，若开关柜长期处于这样一种环境状态，则柜体内部极易发生各种恶性短路故障,包括单相短路、两相短路，甚至是三相短路。此外，长期的受潮凝露会导致柜体内部的绝缘性能逐渐降低，导致各种绝缘缺陷逐渐暴露并最终发展成绝缘击穿、沿面爬电等故障，从而酿成各类恶性接地事故，这严重影响到整个供电和配用电系统的稳定性，并降低了全系统的供电可靠性水平。

目前，对开关柜的受潮凝露机理的建模研究较为少见，大多建模过程将开关柜视为一个空的封闭金属结构，没有隔室、元件和局部封闭区域，且凝露都发生在柜壁上，这种建模过于理想化，与实际的开关柜结构、凝露部位可能随处发生的情况有很大区别。此外，国外由于与国内存在设备差异和运行管理差异，对开关柜专门的受潮凝露建模和防治新技术研究较为少见。文利用数值模拟的方法对几种密闭式开关柜内部发生的凝露现象进行了研究，通过建立数学模型分析了柜内相対湿度、布置加热器、加装电阻丝、添加保温层等对预防受潮凝露现象发生的影响，表明柜体内部受潮凝露现象的发生通常与柜内初始的空气相对湿度、空气温度、壁面与环境之间的对流换热系数等因素有关，根据这些因素，一些防止凝露发生的措施被提了出来。文则设计并开发了一套配网开关柜防凝露管理系统，可利用其数据服务器对温湿度监测数据进行智能分析，以判断是否启动开闭所内的除湿装置， 可在一定程度上提高开关柜运行的稳定性和效率。

此外，文则针对开关拒内高温故障问题，通过对现有开关柜温度检测方法的改进，设计了一种基于UHFRF1D温度标签的开关柜温度监测系统，并通过张家口供电公司某220kV变电站进行了实验验证，表明该系统能较为真实地反映被测点温度，可在一定程度上提高巡检的工作效率。文通过分析温湿度对髙压开关柜绝缘性能的影响，提出了与SCADA接口的方法。基于此，针对环网开关柜经常出现的凝露问题，文则通过对环网开关柜长期运行数据的详细分析，得出结论认为凝露问题是影响整个余杭供电局环网开关柜故障的主要原因。这主要是由于凝露现象的发生会造成间歇性放电，从而产生的高能量会导致空气中的氧气被电离产生臭氧。这些臭氧可对柜内绝缘性能进行长期腐蚀，最终达到一定程度后，会造成环网开关柜内相间短路或者对地短路从而引起恶性事故。文则针对封闭式金属开关柜，在防凝露方法上存在的大量浪费电能的问题和露水凝结导致开关柜爆炸的安全事故问题分别进行了详细研究。除此之外，文献均从不同角度对开关柜内受潮凝露问题进行了探索研究，提出了一些凝露防治方法和对策，或开发了一些防凝露智能控制系统等。

目前，开关柜潮湿和凝露防治的研究中搭建的物理模型往往过于理想，这与实际的开关柜物理原型差别较大，这主翠是由于开关柜内部结构复杂，并且元器件众多。因此，在开关柜的建模过程中不能过于理想化,要充分考虑实际空间结构的影响，优先选用机理分析方法进行数学建模，并在研究过程中，根据需要再结合测试分析方法进行深层次建模。总的来说，对开关柜的受潮凝露的防治技术还需要开展更多更深入的研究。

基于此，文中从开关柜受潮凝露发生的机理出发，总结了目前几种主要的开关拒受潮凝露防治技术，并对它们的优缺点进行了总结分析。随后，基于其中性能最为优越的干燥空气除湿法，对基于干燥空气除湿原理的开关柜受潮凝露防治技术进行了研究。最后，提出了开关柜的受潮凝露防治监测控制系统的设计方案，同时对开关柜内凝露现象的防治措施和应对策略进行了简要总结和展望。该研究对开关柜内受潮凝露的防治研究具有一定的参考意义。

1  开关柜凝露现象发生机理

1.1 凝露成因

开关柜内发生凝露现象的过程中，由于柜内空气中的水汽已经超过了其最大的包容能力,使得水汽在达到露点温度后就立刻在柜内低温物体的表面液化成为液体，这一湿空气液化成水珠的现象称为凝露，其中关于凝露点温度的计算将在文1.2节重点介绍。总的来说，凝露现象的发生取决于2个 因素：柜内环境相对湿度F（%RH）和柜内环境温度T（℃）的变化当F越高时，且当T变化越大时，柜体内部越易发生凝露现象。

因此，对于金属封闭的开关柜而言，当柜外温度急剧下降，而此时柜内温度也随之下降，导致水蒸汽在柜内壁表面形成冷凝结露，此种情况较为常见;此外，当拒内温度较低，而此时柜外温度急剧上升时，也可导致柜体和内部元器件表面发生冷凝结露,这种情况一般发生在冬季环境气温急剧变化的时候。总的来说，当柜外空气相对湿度越高，柜内露点温度越接近于环境的空气温度时，越易发生凝露；当柜体内发生凝露时，柜内露点温度将始终低 于环境温度。因此，防治柜内凝露现象的发生关键在于控制发生凝露部位的表面温度，使其温度髙于发生结露的凝露点温度。

如前所述，当柜内发生凝露现象时，其带来的主要危害首先是使柜内的绝缘性能逐渐下降，经过长期的腐蚀之后，将引发绝缘件闪络和爬电，并最终丧失绝缘性能。因此，根据对凝露现象发生机理分析可知，控制凝露现象发生的主要因素为：温度和湿度。根据这2个因素，下面阐述一下凝露点温 度的计算方法。

1.2 凝露点溫度计算

基于文1.1节对凝露现象发生机理的阐述，并根据建筑门窗玻璃暮墙热工和计算规程1,假设结露时的露点温度为T_d，℃；柜内环境温度为T，℃；相对湿度为F，%RH。则计算步骤如下:首先,计算出T ℃空气在水面（T>0 ℃）或冰面（T≤0 ℃）的饱和水蒸汽压力（hPa），公式为

式（1）中：E0为0 ℃空气的饱和水蒸汽压力；a、b为系数，T>0 ℃时，取水面值a=7.5，b=237.3；T≤0 ℃时，取冰面值a=9.5，b=265.5。

然后，根据式（1），计算环境温度为T ℃时，空气在已知的相对湿度F（%RH）下的水蒸汽压力E，即

   最后，根据式（1）、（2）,可得到柜内环境温度为T ℃、空气相对湿度为F（%RH）下的凝露点温度Td的 计算公式，即马格努斯修正公式为

   式(3)中：Td为露点温度，℃；E的含义同上，单位为hPa；a和b为修正参数，含义同上；E为空气的饱和水蒸汽压，hPa；E0为气温为0 ℃时的饱和水蒸汽压，取E0=6.11 hPa。

2 主要的开关柜受潮凝露防治技术比较

2.1 加热除湿技术

传统的加热除湿方式通过加热器提高开关柜内的温度，提高空气溶解水分的能力，以达到降低相对湿度的目的，使凝露不易发生。这类传统的防凝露装置主要分2种：—是采用电源控制开关，手动长期投人柜内加热器的运行方式；二是采用自动控制装置投切加热器。采用加热除湿技术时，由于水分仍然保留在柜内，当外部环境大幅降温时，开关柜的金属外壳作为热的良导体或靠近外壳的端子，其温度也将随之迅速降低而达到露点温度，则此时湿气仍然可转化为凝露，并凝结在电气设备表面，从而达不到除湿的目的和效果。

为解决上述问题，文中开发了一种半导体除湿器。在该除湿器内，利用温差凝露的原理，通过除湿器内置的半导体元件降低凝露表面金属板的温度，使得水汽凝露在金属板上，水滴则可自流至排水管，并通过排水管排到开关柜外部，从而降低了开关柜内部的水汽含量。但该方法仍存在一定的局限性，这主要是由于半导体的除滠功率很低，其次是开关柜不是完全密封的，外界环境湿度的变化对开关柜内的影响很大，半导体除湿效率不高的 情况下完全不足以抵消开关柜外部温度增加给开 关柜内部带来的湿度变化。

2.2 冷凝除湿技术

文2.1节中提到的加热除湿法不能很好地解决环境温度变化较快时形成的凝露问题，从而会在一定程度上危害到设备的安全运行。基于冷凝除湿方法的新型除湿装置可在一定程度上解决此问題，其利用制冷片作为核心部件，冷端产生非常低的温度，使空气中水分冷凝在凝水面，并通过排水孔排出柜外。该方法在环境温度变化缓慢的情况下时可很好地避免产生凝露。但如果环境温度变化较快时，此时柜体内的某些部位的温度快速降低至露点形成凝露，而此刻柜体内部的湿度反而会有所下降，这就导致除湿装置无法判断到凝露已经产生，从而无法快速消除凝。为此，文中提出了一 种热电冷凝除湿技术，具有如下优势：体积小、稳定性能高、无需制冷剂和干燥剂、环境友好等，使得该技术在除湿领域具有一定的潜在价值。

2.3 干燥空气除湿技术

为克服前面2种传统除湿技术存在的不足，干燥空气除湿技术近年来被提出。该方法主要以轮转除湿机作为除湿装置，通过除湿机不断向开关柜内输送干燥的空气，以置换掉柜内的潮湿空气，该过程本质上相当于一个换气过程。因此，干燥除湿技术具有除湿速度快、效率高、操作安全方便、维护 量低等特点。此外，该方法还具有除湿能力大的优势，不仅能够有效防治柜内凝露现象的发生，还可有效改善配电房内的潮湿环境。当使用干燥空气 除湿法时，由于柜内并无除湿元件，因此开关柜在维护时不需要停电，其安全性也得到了提高。经实践证明，通过干燥空气除湿方式可有效克服传统除湿方法存在的不足，并可提高开关柜的绝缘性能，使得开关柜安全运行的时间大大提升，尤其是对于12～40.5 kV金厲封闭开关柜内的除湿更具指导意义。

2.4 技术比较

目前对开关柜的受潮凝露防治技术的研究，存 在分散、持续性差的特点，创新性并不是很高。通 常情况下，开关柜防潮防凝露基本采用加热方法，少量使用半导体冷凝除湿方法，但这2种除湿技术 存在下述缺陷。

1）除湿设备均布置在开关柜的高压隔离室内，发 生故障时一定要进行停电操作才能处理，这无疑增加了计划外的停电时间，增加了工作量和作业风险。

2）冷凝除湿在低温高湿时会容易凝霜，除湿效 果几乎为零。

3）加热方法在高温高湿时存在温度过髙、加速 绝缘老化的弊端。

4）传统除湿方法精细化程度欠缺，基本没有关 注到开关柜结构对除湿效果的影响。而事实上，开 关柜内空间狭小，内有绝缘件、开关元件、CT/PT、铜 排、电缆头等，元件多、形状和材质不一，空间不规 则，内部存在空气流通不畅的小空间，柜内各处的温度存在差异等等，若不对这些因素进行研究，则防潮防凝露无法做到全面和彻底。

总的来说，目前开关柜使用的除湿方法主要有3种：加热除湿法、冷凝除湿法和干燥空气除湿法。其中加热除湿法的使用最为广泛，冷凝除湿法是近年来才逐渐推广使用的一种方法。由于这2种方法都存在明显缺点，需要研究更加先进的有创新的除湿方法。因此，第3种方法，即干燥空气除湿法被提了出来。相比前2种方法，干燥空气除湿法的性能更加优越。3种除湿方法的对比，见表1，从表1可看出，干燥空气除湿法优势明显。

3 基于干燥空气除湿原理的开关柜受潮凝露防治技术研究

3.1 干燥气源技术研究

干燥气源技术进行除湿时，采用转轮除湿机， 其基本原理见图1。在图1中，干燥空气除湿技术采用髙吸湿能力的硅胶做成蜂窝式结构的除湿转轮， 转轮分为吸湿区和再生区，空气中的水分在吸湿区

表1  3种除湿方法的对比分析

 

 

被除掉后，风机将干燥后的空气送出，吸收了水分 的转轮部分转动到再生区，这时从逆方向送入的再生用空气(温风)将水分驱除，使转轮恢复吸湿能力，以完成持续不断的除湿操作。

 

图1  转轮除湿技术基本工作原理

3.2 干燥气源装置方案设计

基于图1,采用转轮除湿机作为干燥气源的装 置,其设计结构组成见图2。

图2中，处理空气为从循环进气口进人,经转轮 吸收水分后，变为干燥空气，进人气压调节与温度 调节装置，在这里气压进行升高便于输送，对温度进行调节以适应开关柜防凝露防潮的要求和运行 温度的要求；从气压与温度调节装置出来的干燥气 体经过开关柜供气阀门(VS1)控制，向开关柜供气，气体从开关柜排风口或缝隙流散到室内，再通过循 环进气口进入，形成循环，开关柜和室内空气的水 分被吸收，变得干燥。在开关柜不需要用气或气源 充足的情况下，通过室内供气阀门(VS2)进行供气，以调节室内环境。转轮吸收后的水分则通过再生 排风排出室外。

 

图2  干燥气源装置基本组成示意图

 

3.3 柜内空气强制流动技术研究

通过调研和査阅文献资料，目前阶段，尚未发 现有关于柜内空气强制流动特性的深人研究，因此，在采用传统的除湿方法时,往往存在防潮死区；而采用干燥空气除湿法的好处在于,可以充分利用 供气系统的气压，使得柜内空气强制流动，实现柜内整个空间均有干燥空气流通，消除防潮死区；同时，通过喷嘴角度布置，驱动空气产生旋转流动增强除湿效率，可向特定狭小部位供气，实现全柜防 潮、防凝露。为实现这一个非常关键的研究，可通 过遇布柜内的传感器监测数据进行比较分析，以找 出最优的喷嘴和最佳的安装角度。干燥气体经喷 嘴进人柜内的设计原理，见图3。

 

图3  干燥气体经喷嘴进入柜内的设计原理

4  监测和控制系统方案研究

基于文3.1节，开关柜的受潮凝露防治重点还在于研发设计一套监测控制系统，用于监控气源和配气系统的运行，并能根据开关柜温湿度采集数据来计算凝露点温度和给出控制值，以达到控制柜内 温湿度的目的，使其远离凝露点；同时，系统还应实现遥测、遥信、遥调和遥控功能，并实现移动设备上 微信号应用，以随时査询数据接收预警信息。具体而言,监测控制系统基本组成包括服务器、软件、控制器、通信网络，实现对整套装置的智能管理，其拓扑结构见图4。

 

图4  监测控制系统基本组成拓扑结构示意图

 

此外，图4中所示的监测和控制系统还必须具 备以下功能：

1）控制与调节。除湿机启动/停止、供气总阀门 开/闭、各柜配气阀门开闭、温湿度调节、气压调节。

2）防误和故障导向安全。供气空气湿度高关闭 供气阀门。

3) 转轮堵塞风压小报警。

4) 网络化应用、“四遥”和移动应用：通过监控系 统配置专门开发的软件实现。

如图3所示，监控系统可通过各传感器监测室内外温湿度、开关柜内温湿度、转轮除湿机内风压及温湿度、干燥气体出口温湿度。

5 开关柜受潮凝露防治措施及展望

5.1 防治措施

目前，一套完整的防凝露系统通常由空调、除 湿机、区域环境控制、空气循环系统、安全保护、排 水系统、系统自动检测等组成。在该系统中，可通 过引人新型的除湿方法和技术，使得防凝露系统的除湿性能大大提升，比如，文中重点研究的干燥空气除湿方法。因此，引入新型的除湿技术是防治开关柜受潮和凝露的一种有效的应对策略。

防凝露措施应当在结合凝露产生的机理和变电站高压开关柜的运行特点之后根据实际需要进 行执行,且在执行的过程中需要通过对现存的防凝露措施中存在的问题进行清晰地认识，然后采取有针对性的改进措施来设计开发新型的高压开关柜防凝露系统，从而能够取得较为良好的效果。

在髙压开关柜防潮湿和凝露方面，可采取如下 防治措施：

1）结合实际开关柜的结构特点和运行环境，合 理选用空气置换法，即文中介绍的干燥空气除湿 法，去除柜内的湿空气，置换成更多的洁净、干燥的新空气，并将潮湿的空气及时排出柜外，使得柜体内最终可充满干燥空气。

2）在进行空气置换时，应确保柜体外部或电缆沟内的潮湿空气难以进人到柜体内部，防止二次凝露现象发生。

3)当使用干燥空气除湿法时，可同时配合使用加热除湿法以此来降低柜内的空气湿度。

针对12 kV金厲封闭开关柜，还可采取如下措施防止潮湿和凝露现象发生:①对柜内通风道进行 优化设计，科学、合理地布置通风道的路径、进风口 的位置、出风口的位置等；②根据开关柜的实际结 构,对柜内各类温湿度传感器进行科学、合理地布 置,确保柜内的密封性达到一定的要求，尤其是电 缆沟的密封性，避免由于密封性不足导致的柜内电气设备绝缘性能降低，发生沿面放电、闪络、烧毁等事故；设置科学的指令，制定合理的控制策略，控制 柜内各式传感器能有效检测温湿度等环境数据，并 使开关柜能执行不同的控制策略，从而准确地、快速地投切除湿装置。此外，在文中，通过对几种 封闭式开关柜的潮湿和凝露防治方法进行数值模 拟研究，表明合理、科学地布置柜内加热器的位置 可显著提髙实际的加热除湿效果，以有效防治凝露现象的发生。

总的来说，在开关柜潮湿和凝露防治研究方面，通过制定合理的防治措施，可提高除湿效果，而 选择合适的温湿度控制器也显得至关重要,该类控 制器最好可自动调整温湿度启动值，并具备监测值异常的报警功能，如文中提到的在日温差较大 的地区或时段、髙湿度地区或季节、雨季或高湿天气等情况时温湿度控制器应当如何投切和使用。

5.2  展望

      未来的开关柜受潮凝露新技术的研究趋势，将 会是综合集成多种智能除湿技术，最终实现创新除 湿防凝露技术的综合应用。近年来，通过结合物联 网技术、智能控制技术、“互联网+”等技术，已逐步 将目前的开关柜防潮湿和凝露的分散管理局面转变为集中监控管理，该管理方式的转变将能及时发现除湿故障和湿度超标，并实现近凝露点预警，从而将开关柜的运维管理提升到了一个新的高度，确保设备的安全运行，同时使得开关柜的巡检维修效 率大大提高。

6  结语

文中从开关柜潮湿和凝露现象产生的机理出 发，总结了目前应用的3种主要的除湿方法,包括加热除湿法、冷凝除湿法和千燥空气除湿法。在这些 除湿方法中，干燥空气除湿法具有明显的优越性。 文中以干燥空气除湿法为基础研究了开关拒受潮凝露防治技术，包括干燥气源技术研究和气源装置方案设计，以及柜内空气强制流动技术研究。又进一步提出了开关柜受潮凝露防治监测控制系统的设计方案和开关柜凝露现象的防治措施。该研究对于高压开关柜受潮凝露防治研究具有一定的参 考意义。