国电江苏电力有限公司扬州供电分公司、中国能源建设集团江苏电力设计院有限公司、无锡赛福电力环境控制设备有限公司的研究员陈固、游婷婷、刘明涛、方成在2019年第11期《电气技术》杂志上撰文指出，柜内空气冷凝是变电站开关柜运行闪络故障的主要原因。

在分析冷凝形成机理的基础上，提出了消除电缆沟进线内高压开关柜时冷凝的技术实施方案。通过使电缆沟和开关室内的空气温度和湿度参数趋于均匀，有效地避免了内部在高电压开关柜时冷凝的产生。工程实践证明，该技术方案是可行的。

随着经济发展和城市建设的不断推进，城市用电负荷密度的增加和城市建设美化要求的提高，越来越多的城市变配电设施从室外转移到室内，输电线路也从架空转移到地下电缆沟敷设。通过对现有变配电站高压开关柜运行故障的分类分析，发现开关柜内空气凝结是导致绝缘强度下降和开关柜故障的主要因素之一。

在分析高压开关柜空气凝结原因的基础上，提出了解决电缆沟内空气凝结问题的技术方案，通过消除气室开关柜与电缆沟之间的空气温湿度差，保证高压开关柜不会发生凝结闪络，防止运行故障的发生。

1高电压开关柜运行环境分析

现有的变电站开关室采用机械通风、空调制冷、除湿机等方法来满足一年中的大部分时间的要求。但是，在某些特殊时期，由于室外气候的突然变化(主要指气温、湿度和粉尘浓度的变化)，电缆沟内的电气元件或电气柜的结构元件(如图1所示)会发生结露，结露开关柜，导致设备绝缘性能显著下降，甚至击穿、设备腐蚀、设备加速老化、局部放电和部件损坏，使设备更容易发生故障，增加维修成本，降低电网安全运行概率等。

图1电缆沟盖板的冷凝现象

1.1扬州地区的气候特征

由于扬州位于江苏省中部，长江与京杭大运河交汇处，水系发达，位于沿江或低洼地区的含水量变电站的土壤和空气含水量较高。同时，扬州属于亚热带湿润气候区，夏季属于江南梅雨气候。外部空气中存在的水蒸气慢慢渗入设备，导致电缆沟中水蒸气的水分含量=±0 +,逐渐上升，容易导致冷凝。

1.2 开关柜运行环境特征

1)开关柜引入电缆沟

采用电缆沟入口和接地布置，房间开关柜与室外大气相通，室内外温差变化很大。电缆沟在地下时，其内部温度受土壤温度影响较大，变化较小。然而，由于电缆沟底部和壁面的水分渗透和蒸发，沟内空气的相对湿度较高，露点温度与沟内空气温度的差异相对较小，通常在9℃至12℃之间。

冬季，当开关室内温度低于10℃时，电缆沟内的潮湿空气会在电缆沟盖板内侧和开关柜底板上形成冷凝。在夏天，当潮湿的室外空气进入房间时，室内空气的露点温度上升。当温度超过电缆沟盖板温度时，室内空气将凝结在电缆沟盖板的上表面。

2)开关柜结构分析

根据12.3.2.2《中国国家电网公司18大反事故措施》，为防止开关柜火灾蔓延，该柜的柜体、母线室及其他功能间之间应采取有效的阻隔和隔离措施。因为开关柜本身缺乏空气循环条件，所以进入设备的水蒸气不能自行排出。晚上，当金属墙板的温度低于空气的露点温度时，就会发生冷凝。白天，冷凝物会蒸发并变成水蒸气。潮湿的空气会积聚很长时间，冷凝会反复发生。

国家电网公司《十八大反事故措施》中的12.3.1.6规定，开关柜配电室应配备通风、除湿和防潮设备，以防止冷凝引起的绝缘事故。常见的温湿度控制器开关柜安装在开关柜的上柜门板上，温湿度传感器嵌在控制器中，加热器安装在开关柜的后柜侧壁上，加热器无法根据温湿度进行有效控制。当内外空气温度差开关柜大时，在开关柜内容易产生冷凝。

3)开关柜房间环境分析

当常规开关柜房间通风系统运行时，室外空气通过进气百叶窗或门窗之间的缝隙等进入房间。，吸收室内开关柜设备散发的热量，然后通过风扇排出房间。由于缺少温湿度联锁控制系统，通风系统的启停控制需要运行维护人员手动操作，扬州地区湿度较高。春秋两季，尤其是雨季，空气湿度大，冷热交替频繁。高湿度空气不能通过通风系统有效排出，这使得长时间处于高湿度环境中开关柜。

1.3冷凝对开关柜的影响分析

1)对空气绝缘的影响

结果表明，当温度保持不变，球隙放电电压低于80%相对湿度时，随着相对湿度的增加，放电电压逐渐增大。在相对湿度高于80%的高湿度条件下，随着相对湿度的增加，放电电压不会由于高湿度而严重降低。因此，当空气的相对湿度小于95%相对湿度时，对开关柜的空气绝缘没有显著影响，但是当有冷凝时，球隙的放电电压下降到接近正常值的一半。

2)对导体的影响

对大量开关柜内部绝缘故障的分析表明，由于潮湿空气的腐蚀，断路器的大量手车触头和母线被氧化。断路器手车的动、静触头氧化后，一方面粉状氧化物会落入触头盒，减小爬电距离；另一方面，增加动触点和静触点之间的接触电阻容易导致热故障。加热后，绝缘材料受热分解，绝缘性能下降。

3)对绝缘材料的影响

开关柜绝缘有三种类型的绝缘支柱、母线套管和接触盒，通常用环氧树脂压铸而成。在潮湿环境中，由于材料内部结构基团的极性和吸水性，很容易与水分子结合形成氢键，从而增加电导率，降低表面电阻率和体积电阻率。

冷凝会在绝缘材料表面形成结晶水。当空气中的灰尘溶解在结晶水中时，由于局部电子的快速运动和结合，会在绝缘材料表面形成小电弧燃烧，破坏绝缘材料的表面绝缘。随着分解效应和闪络效应的积累，绝缘表面会形成灰色粉末痕迹，这将彻底破坏绝缘性能，最终导致相间短路或对地短路。

根据对扬州地区变配电站运行故障的总结分析，电缆沟内的湿凝结与开关柜绝缘性能下降有很大的相关性，因此消除电缆沟内的湿凝结有利于防止因开关柜凝结而导致绝缘下降。

2凝结机理分析

根据空气动力学理论，通过湿空气的湿度图分析冷凝机理(如图2所示)。首先，介绍了湿度控制空气的三个概念，即含水量、相对湿度和露点温度。

湿空气是指含有水蒸气的空气；含水量和相对湿度是表征潮湿空气中水蒸气含量的参数。含水量是每千克干燥空气的水蒸气含量，是水蒸气含量的绝对值，在焓湿图中以横坐标表示。

图2潮湿空气的湿度图

相对湿度(RH)是湿空气的绝对湿度(水分含量)与在相同温度下可达到的最大绝对湿度(最大水分含量)之比，是空气中水蒸气含量的相对值。这是焓湿图中的一系列抛物线。饱和空气是指在一定温度和压力下，能容纳最大量水蒸气的潮湿空气状态，其相对湿度为100%，位于焓湿图的底部。

露点温度是指在水分和气压不变的情况下，空气冷却到饱和时的温度。焓湿图中对应于100%相对湿度的纵坐标温度是对应于含水量的状态下的露点温度。

如果被湿空气接触的物体的表面温度低于空气的露点温度，则空气将热量传递给被接触的物体，并且空气的温度下降，同时其相对湿度增加，并且物体的表面温度上升。然而，两者的上升速度是不同的。通常，空气的热容量较低，并且在吸收热量后，冷却速率高于固体物体的冷却速率。当空气温度下降到露点温度时，它仍然高于物体的表面温度，并且空气温度将继续下降。这时，空气中的水蒸气将以液体形式从空气中分离出来，从而在物体表面形成冷凝。

通过以上分析，可以发现形成空气凝结的条件是湿空气(湿气)和物体与空气之间的温差。如果这两个条件都不满足，冷凝就不会发生。

3防止冷凝的措施

根据冷凝的主要原因，从减少进水和防止温差两个方面有效防止电缆沟内产生冷凝。

3.1控制电缆沟和开关间的温差

控制电缆沟中的空气温度和上部开关室中的空气温度之间的差异并减少冷凝的最直接的方法是有效地混合两者的空气。开关室的热特性决定了开关室上部的空气温度高于开关室下部的空气温度。因此，开关室顶部温度较高的空气通过通风设备送入电缆沟。与电缆沟内的空气混合后，空气温度升高，相对湿度降低，并通过出风口再次排入开关室，使开关室内的空气温度更加均匀，同时保持电缆沟干燥。

3.2保持开关室温度均匀

室内温度场分布的均匀性主要取决于室内气流组织。保持合理的室内气流组织是保持室内温度均匀性的重要途径。

为了有效控制室内气流组织，系统采用正压送风和自然或机械排风的气流组织。根据开关室电气设备的加热特性，较低温度的空气从开关室的下部送入。空气沿着地面扩散，扩散到整个房间。达到开关柜后，它吸收开关柜的热量，然后缓慢上升。在送风设备的压头和开关设备的散热所形成的热压的双重作用下，送风持续供给到开关柜的加热点，而对于开关柜的非散热点，设备加热所产生的热压效果较小，因此到达该区域的送风量较少，从而保证了开关柜之间环境空气温度的均匀性。

3.3保持开关柜内外温度均匀

为了防止开关柜内的湿热空气积聚，应保持开关柜内外通风顺畅。现有部分开关柜没有配备必要的通风设备。潮湿的空气一旦进入，就很难及时有效地排出。随着机柜内外温度的变化，有冷凝的危险。

当制造开关柜时，应根据开关柜中电气设备的功能和防尘防潮的要求，设置合理的通风设施。例如，预留的注气孔应由过滤器入口风机定制和加压，使柜内空气强制流动，以实现柜内整个空间的干燥空气循环，消除防潮死区。同时，通过喷嘴的角度设置，驱动空气产生旋转流动，提高除湿效率，空气可以供应到特定的狭窄部位，实现整个机柜的防潮和防结露。

4工程技术方案

4.1解决方案设计

基于上述分析结果，本文提出的系统方案如图3所示。系统设计思路:根据各自的参数和室内温湿度控制要求，将开关室上部区域的室内空气(必要时引入部分室外新风)按比例混合，然后通过环境控制设备(具有过滤、加压、分配、加热、降噪等功能)进行处理和加压。)，然后送入电缆沟。

图3电缆沟入口开关柜室温控制和防结露方案图

进入沟渠的空气与围护结构的墙体和地面对流换热后，进入沟渠的空气温度降低，而沟渠中的空气温度升高，从而降低沟渠中空气的湿度；空气的持续供应增加了电缆沟的压力，并通过电缆沟和开关室中的防火通风口进入开关室。与送入电缆沟的空气温度相比，开关柜下部的空气温度与开关室下部的空气混合后趋于均匀。

随着运行时间的延长，当开关室上部的空气状态参数超过设定值时，系统自动调节回风和新风的比例，同时通过自然出风口将上部的高温湿热空气溢出房间。

4.2项目的实际运行效果

基于上述设计思想，将环境控制设备、排风装置和室内温湿度传感器集成到一个智能系统平台上，并固化在环境控制设备上。通过监控配电室、电缆沟和室外大气的状态参数，可以自动调节新风(室外进风)和回风(开关柜顶部区域空气)的风量，从而防止大量室外湿热空气的侵入，保持室内干燥，完全防止结露。

为了检查上述方案的实际运行效果，在扬州110千伏、220千伏电缆沟进线变电站高压开关柜的房间安装了上述温控防结露装置，如图4所示。

图4 开关柜带有温度控制和防冷凝装置的房间

为了测试运行效果，在系统启动前后对电缆沟和开关室的运行参数进行了测试。比较结果如表1所示。

表1系统应用前后的温度和湿度对比

表1中的数据表明，安装温控防结露装置后，通过温控防结露装置中电加热器的运行时间，可以降低电缆沟内空气的相对湿度，促进开关室和电缆沟内的温度和湿度平衡，减少电缆沟内的湿气通过电缆连接孔进入开关柜，从而防止开关柜内电气元件表面的闪络现象。系统运行后电缆沟盖板的凝结如图5所示。与图1相比，可以发现电缆沟盖板背面的冷凝完全消除。

图5电缆沟盖板背面的冷凝(操作后)

电缆沟进线开关室安装温控防结露装置后，除了上述温度和湿度参数得到精确控制外，系统带来的附加效果表现在以下几个方面:

1)有效防止室外湿热空气的侵入。当室外空气处于高热高湿状态时，温控防结露装置通过减少或关闭新鲜空气入口，利用大比例的回风或短期全回风系统运行，防止湿热空气进入和结露现象。

2)系统运行能耗显著降低。夏季，利用电缆沟的自然冷却能力来冷却室内空气，消除开关柜体的散热，从而降低空调冷却所需的能耗。

3)减少房间变电站开关柜的操作和维护工作量。由于开关柜房间保持微正压状态，有效控制和处理了室外空气的进入，随着室外空气进入房间的灰尘量也大大减少，减少了开关站地面和开关柜表面灰尘积聚的可能性，从而防止灰尘积聚引起的闪络，减少了运行维护工作量。

结论

通过对高压开关柜运行故障的分析，发现湿凝结是导致开关柜故障的重要因素，湿电缆沟是导致开关柜故障的主要原因。

本文提出的工程技术方案，通过减小电缆沟与+0房间的温湿度差，消除电缆沟的结露，达到了预期的效果。通过工程实践，可以有效防止开关柜凝结的发生，降低开关柜因运行环境而失效的概率，从而为变配电站的安全稳定运行创造条件。