防止开关柜内部凝露的有效方法

2020-09-09
           高压开关柜作为电能分配设备在电网运行中起着非常重要的作用,而开关柜的绝缘能力是开关柜能否安全稳定运行的重要因素。高压开关柜的绝缘能力除了本身的设计、材料和质量因素外,柜内运行环境的温度、湿度和凝露等恶劣环境因素引起的开关柜绝缘事故屡有发生。
 开关柜长期运行经验表明,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,对区域电力系统的稳定性有重要影响。因此,解决开关柜凝露对开关柜安全运行及电网稳定十分重要。 
  当前,高压开关柜的结构日趋小型化,内部结构紧凑、带电体的相间及对地距离缩小,因此对环境因素等要求相对较高。由于制造、运行环境等原因,现有开关柜多采用底板开通风口,后板和顶板密封的设计,加上运行条件差,电缆沟内部积水严重而且通风不畅,特别是在相对湿度较大的沿海省份,温度较高时水汽会上升至母线室而无法排出,温度降低时容易在金属和绝缘材料表面出现凝露进而导致爬电现象的发生。  
   在高湿度环境中,空气介质的绝缘性能大大下降,同时高压电极在高湿度环境中非常容易发生局部放电;固体绝缘材料在高湿度环境下,其绝缘性能发生很大变化,在局部放电影响下,固体绝缘材料的老化容易加速,而固体绝缘材料的电老化和环境老化通常是不可逆的。
 
  放电产生的高能量会使空气中的氧气被电离产生臭氧,其溶于水后具有很强的氧化性,从而加速绝缘材料的老化,使放电区域扩散。这一过程又会产生更多的臭氧,形成一个恶性循环。当材料的绝缘性能下降到一定程度时就会形成短路,最终导致事故发生。因此,开关柜长期在高湿度、高污染环境中运行存在很大的绝缘故障隐患。
   凝露的危害主要体现在开关柜内部电力设备的箱体内,如端子箱、开关机构箱等。气温降低且湿度较大时极易在箱体内部形成凝露,形成的水珠会附着在其内部的金属和塑料部分上,对设备造成的危害主要有以下几点:
(1)在端子箱。机构箱内二次接线端子排上形成的露水对端子排上的金属导电部位造成腐蚀,腐蚀较重或混入灰尘等其他杂质后易造成交直流短路接地,直流接地对开关柜的稳定运行造成了极大的危害。实际运行经验表明,直流接地多是有水附着在带电部位上造成的,而且更严重的凝露会造成端子排上两根二次线之间的短接,如果恰好是开关跳闸回路则会立即引起开关误动作,造成停电事故。
(2)在开关或刀开关操动机构上形成的凝露会腐蚀机构内的金属部件,影响机构的使用寿命,甚至因锈蚀而造成机构卡涩,导致接地开关或隔离开关在分合时机构不能运行到位,如果因此使得开关动静触头慢分慢合,则会酿成极大的电力事故,尤其是开关久未操作时锈蚀现象会更加严重。
 
(3)开关柜一般更注重通风,所以室内温度、湿度受室外环境影响较大,而柜内绝缘子多没考虑防水性,在其上有凝露的话会降低其绝缘性,甚至可能导致爬电或闪络现象,严重影响设备正常运行。尤其是有的设备处于停运状态,其内部温度更低,更易在其表面形成凝露,此时一旦送电,将极易发生事故。
目前的仿真分析中,仅仅关注开关柜内部的温度分布,对于开关柜内温度、湿度耦合计算的数值模拟研究关注较少。
为了明确开关柜内部凝露的形成过程,西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室、国网陕西省电力公司电力科学研究院的研究人员采用COMSOL Multiphysics软件建立了三维高压开关柜电磁场-温度场-湿度场耦合计算模型,计算了开关柜在导体正常工作流过大电流时内部元件的温度分布,同时仿真研究开关柜在外界环境相对湿度为0.8时的湿气扩散过程,得到开关柜内部元件的相对湿度分布。
 
 
 
    
                                                                                    
图1  开关柜三维仿真模型
 
图2  开关柜内部温度分布

图3  开关柜内部相对湿度的稳态分布
 
图4  增加加热装置后开关柜内部温度分布
      仿真结果表明,断路器触头盒表面温度较低,湿度分布较高时,极易发生凝露。此外,通过仿真分析发现采用加热和通风装置可以有效降低触头盒的表面湿度,提高触头盒表面温度,是一种可以减少开关柜内部元件凝露发生的有效方法。加热和通风装置的最优布置方式为同时安装在靠近触头盒和套管的开关柜柜壁上,对于降低触头盒表面凝露的效果优于设置单一的加热或通风装置。

 
图5 选取的触头盒和套管表面
 
图6  增加通风装置后开关柜内部相对湿度分布
 
研究人员最后得到以下结论:
  • 1)开关柜内部的母排温度升高最快,三相触头盒温度分布不均匀,远离隔板的触头盒温度升高(最高为308K)均低于靠近隔板的触头盒温度升高(最高为318K),主要是由于远离隔板的触头盒与空气接触面积大,易于散热。
  • 2)绝缘材料的吸湿要快于金属材料,触头盒因其局部的中空结构不易排湿,因此其表面相对湿度更高,更容易形成凝露。
  • 3)增加通风装置可以有效地降低触头盒表面的相对湿度;局部增加加热装置可以有效提高触头盒表面的温度,二者配合可以大大降低触头盒发生凝露的概率。
  • 4)加热装置和通风装置的最优安装位置均为同时靠近触头盒和套管的开关柜柜壁上,对于降低触头盒表面凝露的效果优于设置单一的加热或通风装置。