高压开关柜新型防凝露系统的研究与应用

2016-12-06李传江

综合智慧能源 2016年8期

关键词：柜体开关柜湿度

李传江

（国网安徽省电力公司铜陵供电公司，安徽铜陵　244000）

高压开关柜新型防凝露系统的研究与应用

李传江

（国网安徽省电力公司铜陵供电公司，安徽铜陵244000）

通过分析凝露的原理、开关柜凝露的原因及现有开关柜防凝露措施存在的不足，提出了一种高压开关柜新型防凝露系统，详细描述了该系统的结构原理、应用实施以及控制算法，为解决高压开关柜普遍存在空气湿度大、易凝露的难治理问题提供了有效的防范处理措施。

开关柜；凝露；湿度；传感器

0　引言

目前，高压开关柜因其结构紧凑、操作方便等优点，在变电站35kV及以下设备中被广泛应用。而高压开关柜又普遍存在空气湿度大、易凝露等难治理问题。近年来，开关柜因凝露导致的绝缘故障频发，轻则发生异响，重则导致开关室内开关柜全部烧毁等恶性事故，影响供电可靠性，造成严重的经济损失。

本文结合凝露产生的原理和变电站高压开关柜运行特点，总结现有防凝露措施存在的不足，提出了一种高压开关柜新型防凝露系统和防凝露方法［1-3］。

1　开关柜凝露原因分析

1.1凝露产生原理

当与空气接触的物体表面温度低于空气的露点时，其表面将发生凝露现象。露点温度td，空气湿度ρ及相对湿度RH三者没有确切的函数关系，只有经验数据，图1为部分经验数据关系曲线。

由图1可知，在空气湿度保持不变的情况下，相对湿度较高时，其露点温度越高且越接近空气温度。也就是说，相对湿度越高的空气越容易因气温变化而产生凝露［4-6］。

图1　露点温度、空气温度及相对湿度关系曲线

1.2开关柜产生凝露原因

变电站大多设置在郊区，空气湿度及气候温度变化大，高压开关室设置有通风口，且地面返潮，开关室空气湿度较大。另外，高压开关柜由金属镀锌钢板拼接而成，缝隙较多。且开关柜均为落地式，底部有高湿度的电缆沟，因此，室内高压开关柜内部空气湿度普遍较高，当某一时间段供电负荷变小时，开关柜内部导体、设备、绝缘件等部件的表面温度会有所降低，此时在设备或绝缘件表面易形成凝露。

由凝露产生的原理可知，产生凝露主要有2个因素——空气与设备表面的温差，空气相对湿度。开关柜供电负荷或其他导致设备表面温差变化的原因较多且不可控，为防止开关柜凝露，应将降低开关柜内部空气湿度作为主要措施。

2　新型防凝露系统基本结构及原理

根据开关室高压开关柜运行特点，研究出一套新型防凝露系统，该系统采用空气置换法，即通过对开关柜内部送入洁净、干燥的空气，将内部潮湿空气排出柜体外，使柜体内充满干燥空气，同时保证柜体内部存在轻微的正压力，使柜体外部或电缆沟内的潮湿空气无法进入开关柜内部，快速、高效地降低开关柜内部空气湿度，防止开关柜内部凝露［7-9］。

该系统主要由空气干燥净化处理、送风管道及温、湿度信息采集等部分组成，系统结构如图2所示。

空气处理机将自然空气经净化过滤、干燥等工序处理后，变成洁净的干燥空气，随后由送风管道输送至设备柜体内部，其内部潮湿空气通过柜顶排气孔排出柜体外。

图2　防凝露系统结构

柜体上部的传感器采集柜体内部的空气温、湿度情况，并将数据反馈至控制器，控制器根据接收到的设备柜体内部空气温度、湿度数据，结合柜体内部空间大小，通过比例-积分-微分（PID）控制算法计算并动态控制空气处理机的输出功率及输出洁净、干燥空气的流量，达到快速、高效调节设备柜体内部空气湿度的目的。

3　系统应用实施

该系统在高压开关柜中的应用还需结合开关柜的结构和现场运行情况，综合考虑送风管道的设置和安装方式、干燥空气的允许湿度范围、PID控制算法的参数设置等。35，10 kV开关柜内部结构类似，本文以35kV开关柜为例，该系统在35kV开关柜中的应用实例如图3所示。

图3　系统应用实例剖面图

3.1送风管道的布置

送风管道的主管道敷设于一次电缆沟内，各开关柜的支管道通过开关柜电缆室底部依次延伸至电缆室、断路器室及母线室，并在各隔室内设置带防护网的排风口，潮湿空气由开关柜顶部泄压通道处的通风口排出，管道走向及柜内气体流动方向如图4所示。

3.2传感器的设置

每台35 kV高压开关柜均可分为母线室、断路器室、电缆室及继电保护室4个隔室，且大部分断路器室和电缆室均为落地式，即与地面或电缆沟接触，一次、二次电缆均经电缆室或断路器室敷设至电缆沟。断路器室和电缆室内空气湿度较大，易凝露，导致设备绝缘下降甚至发生放电、闪络、烧毁等事故。将断路器室和电缆室空气温湿度的检测数据作为整个系统的控制输入参数，在该隔室内安装传感器1， 2，如图3所示。

由于水蒸气的密度较空气密度低，热空气密度较冷空气低，所以在设备内上部空间的空气温度和湿度略高，故将传感器安装在隔室的电气设备元件集中区域的上部。

4　控制策略

该系统主要是通过传感器检测开关柜内部空气湿度，并将检测的数据送至控制器，由控制器对数据进行分析和计算，确定空气处理机的空气处理功率及送风量的大小，最后将干燥洁净的空气送至开关柜内部，再由传感器采集温湿度信息并将数据反馈至控制器，依次循环。控制流程如图5所示。

4.1数据采集处理

在每台开关柜断路器室和电缆室分别安装传感器1，2，由于每台设备内部空气温湿度不尽相同，因此每只传感器检测到的数据信息也不同，而该系统只有1台空气处理机，且送风主管道公用，因此送入每台开关柜内的干燥空气的湿度是相同的。为保证送入的干燥空气能满足每台开关柜的需要，对采集到的各开关柜空气温湿度信息数据进行统计、分析和计算，确定合适且有代表性的数据作为输入参数。

图4　送风管道布置

图5　系统控制流程

该系统采用平均数的方法，即共有n台开关柜，检测到的空气湿度数据分别为ρ11，ρ12，…，ρ1n，ρ21，ρ22，…，ρ2n共计2n个数据，则将计算数据ρin=（ρ11+ρ12+…+ρ1n+ρ21+ρ22+…+ρ2n）/2n作为该组开关柜内的空气湿度数据。

4.2控制算法

通过分析开关柜运行情况，结合运行经验得出，在开关柜内空气湿度≤50%时，开关柜内基本不会出现凝露或绝缘件绝缘值下降情况。因此，该系统将开关柜内空气湿度默认目标值设定为（50%± 2%），空气处理机处理后的空气湿度设为48%。

设定空气处理机的出风量（送风管道的送风量），需结合设备运行情况和外部潮湿空气渗入开关柜的速度。若出风量过小，开关柜内空气湿度会不断上升，无法满足开关柜空气湿度要求；若出风量过大，则造成不必要的浪费。

在该系统中分别设置开关柜内当前空气湿度、干燥空气置换效率、开关柜容积及外部潮湿空气渗入率等参数，采用PID控制算法［10-15］，计算出空气处理机的出风量和送入开关柜的干燥、洁净空气速率。

5　应用前景

该系统不仅适用于变电站内所有封闭式开关柜内空气的调节，还适用于其他高压电气设备控制柜的除湿，对有中置柜的变电站具有广阔的应用前景。

6　结束语

新型防凝露系统改善了变电站高压电器柜壳体及内部机构产生凝露的现象，尤其是高压开关柜，大大降低了由于凝露而造成局部放电或引发短路的事故，同时也改变了变电站高压开关柜的运行环境，消除了现场相关的安全隐患，有效降低了变电站开关柜绝缘故障的发生概率。

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（本文责编：弋洋）

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