考虑粗糙程度影响的环网柜二次小室凝露现象研究

刘云鹏, 郭佳熠，郭 沁，耿江海，王艳飞，刘若溪

(1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003；2.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003；3.国网北京市电力公司，北京 100075)

考虑粗糙程度影响的环网柜二次小室凝露现象研究

刘云鹏1, 郭佳熠1，郭 沁1，耿江海1，王艳飞2，刘若溪3

(1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003；2.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003；3.国网北京市电力公司，北京 100075)

凝露现象是影响电气设备乃至整个电力系统安全可靠运行的重要问题之一。基于人工环境气候室搭建了环网柜二次小室凝露现象实验系统，记录了不同环境条件下，环网柜二次小室壁面在粗糙、较粗糙、光滑三种粗糙程度时形成凝露所需的时间。实验结果表明：二次小室壁面越粗糙，凝露形成所需的时间越长；存在最优的环境温度使二次小室内最不易发生凝露现象；二次小室柜内外温差越小，防凝露效果越好；小室内温度较低时，温差对凝露时间的影响大于空气含湿量，凝露时间随温差的减小而增长，小室内的温度较高时，空气含湿量对凝露时间的影响大于温差，凝露时间随空气含湿量的增加而减小。

环网柜；二次小室；粗糙程度；凝露时间

0 引 言

户外设备是电力系统的重要组成部分，由于电力系统的快速发展，户外设备的可靠性也变的愈发重要[1-4]。凝露现象作为威胁电气设备尤其是户外设备安全可靠运行的重要问题之一，严重影响了电力系统的可靠性[5]。当环网柜等户外设备出现凝露时，不仅会影响设备内部的电场分布[6-7]，还会导致其绝缘性能以及机械强度下降[8-9],严重时甚至会导致柜内发生闪落和异常放电等事故[10-13]。

为了降低凝露现象给户外设备带来的危害，提高电力系统运行的可靠性，相关研究机构和高等院校进行了大量的凝露成因及防护措施研究。现阶段，常见的防凝露措施有：升温、除湿以及改进设备自身防凝露性能等[14-18]。前两种措施虽有一定的防凝露效果，但需额外增加投入以及长期维护，而第三种措施通过改变户外设备自身的材料和设计，达到防凝露的目的，不仅可以降低设备运行成本，还可以简化维护过程，更加适用于新型户外设备的研发。

提高户外设备自身防凝露能力可以通过改变设备通风孔、电缆沟等的设计降低柜内空气的相对湿度；也可以通过在设备表面喷涂干燥涂料吸附空气中的水蒸气分子[19-20]。文献[21-22]分别利用热传递理论和验证性实验证明了超疏水材料防凝露的可行性；文献[23]介绍了超疏水材料防凝露的基本原理(表面浸润性原理)，通过改变材料接触面的粗糙程度改变液滴与接触面之间的接触角，使水蒸气不易在接触面发生凝结。根据这一原理，不制备超疏水材料而仅改变材料表面的粗糙程度，同样可以实现防凝露的目的；文献[24-25]分别通过常规成型和腐蚀的工艺制备了具有不同粗糙程度表面的硅橡胶和玻璃，利用接触角测量仪测量了不同表面粗糙度对应的不同静态接触角，说明了表面粗糙度与硅橡胶和玻璃两种材料表面浸润性的关系：越粗糙的基底表面表观浸润角越大，蒸汽冷凝形核点越少；文献[26]通过实验证明了复合绝缘子的表面粗糙程度的增加会使伞裙表面憎水性和静态接触角产生明显改变，其中静态接触角变化可达31%。

综上所述，现有研究虽已表明改变固体材料表面的粗糙程度可以改变凝露的浸润特性，但这一原理目前仅仅在暖通空调超疏水防凝露的研究中取得了应用，其对于电力设备的防凝露效果还有待实验验证。基于此，本文提出了一种直接改变环网柜二次小室柜壁材料表面粗糙度防凝露的方案——柜壁表面喷砂，并在人工环境气候室内搭建了环网柜二次小室凝露实验系统，利用实验验证了该方法的可行性与有效性。

1 实验原理

凝露是由于高温、高湿的气体在遇到低温物体时，温度达到露点温度而在其表面液化的现象。本文中以凝露时间计量环网柜二次小室壁面的凝露程度。凝露时间是指从二次小室内部的温湿度达到实验要求的初始值开始，到壁面水分测试试纸变色为止所经过的时间。当有凝露产生时，水分测试试纸会由红色变为黄绿色，如图1所示。

图1 水分测试试纸变色对比图Fig.1 Sketch of water test paper color

二次小室壁面材料的特性会影响水蒸气的凝结过程，进而影响凝露时间：材料的疏水性越好，水蒸气越不容易凝结，凝露的形成时间也就越长；反之亦然。水与固体表面的平衡接触角是决定该固体浸润性的重要条件：接触角小于90°时称为亲水表面；接触角大于90°而小于150°时称为疏水表面；接触角大于150°时称为超疏水表面。接触角可以用Young方程进行计算：

(1)

式中：θ0为气体、液体、固体三相平衡时的接触角；γSV为固体、气体界面间的表面张力；γSL为固体、液体界面间的表面张力；γLV为液体、气体界面间的表面张力。

当考虑实际物体表面的粗糙度时需要对式(1)进行一定改写：

(2)

式中：θ0′为表观接触角；r为实际的固体、液体界面接触面积与表观接触面积之比。

由于细小沟壑的存在，实际物体固液接触面积会大于表观接触面积，即r>1。

当固体表面为疏水表面时，cosθ0和cosθ0′均为负值，此时：

(3)

(4)

因此，当环网柜二次小室柜壁材料的表面粗糙度增加时，沟壑数量增多，水与固体表面的接触角增大，材料的疏水性也会增加，水蒸气不易凝结，凝露的形成时间将会增长。

2 实验系统

本文在人工环境气候室内搭建了环网柜二次小室凝露现象研究实验系统，主要包括：人工环境气候室、二次小室、加热器、加湿管道、小室支撑底座、水分检测试纸、CCD摄像机、计算机、温湿度控制器等，如图2所示。

人工环境气候室外形尺寸为8m×6m×4m，内置风机和加湿管道，分别用于调节室内温度与湿度以模拟实际环境温度和湿度，其温度调节范围为-20～40 ℃，精度为±0.3 ℃，相对湿度调节范围30%～90%，精度为2%；二次小室按照其壁面的表面粗糙度的不同分为：光滑、较粗糙、粗糙三个，单个设计尺寸为1.6m×0.2m×0.15m，壁面如图3所示；小室支撑底座用于放置小室及实验仪器，设计尺寸为：2m×1.6m×1.2m；加热器共三个，分别布置在三个小室内中间位置，每个功率为100W，用于调节小室内的初始温度；加湿器布置在小室支撑底座内，用于调节小室内的初始湿度，额定加湿量为1kg/h；温湿度控制器用于监测小室及支撑底座内的温湿度，并控制加热器和加湿器的工作状态，调节小室内的初始温湿度；水分检测试纸用于判定凝露是否产生(凝露产生时，试纸将由橙红色变为黄绿色)；CCD摄像机联合计算机用于观测并记录小室顶部壁面凝露的形成过程。

1.人工环境气候室；2.气候室风机；3.气候室加湿管道；4.粗糙壁面小室；5.较粗糙壁面小室；6.光滑壁面小室；7.水分检测试纸；8.加热器；9.温湿度控制器；10.加湿器；11.CCD；12.计算机；13.小室支撑底座图2 实验系统Fig.2 The experiment system

图3 二次小室壁面Fig.3 The wall of secondary cabinet

3 实验结果

3.1 不同柜壁粗糙程度

表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度[27]。本文采用中线制(轮廓法)评定小室壁面的表面粗糙度，所选评定指标为轮廓的算术平均偏差[28]。

实验开始前，利用TR200手持式粗糙度仪分别对三种小室壁面的表面粗糙度进行测量。如图4所示，将壁面平均分成9份，编号1～9；分别测量每个区域的表面粗糙度；最后将9个测量结果取平均值作为该壁面的平均表面粗糙度，测量结果如表1所示。

分析表1可知，三个壁面的表面粗糙度有明显差异。壁面B(粗糙壁面)的表面粗糙度最大，平均表面粗糙度达到了Ra10.992μm；壁面A(较粗糙壁面)的平均表面粗糙度为Ra2.417μm；壁面C(光滑壁面)的表面粗糙度最小，平均值为Ra1.023μm。

图4 壁面区域划分及编号Fig.4 Region division and number on the wall

表1 不同柜壁表面粗糙度 (μm)

实验过程中，利用温湿度控制器调节柜内初始温度和湿度分别达到30 ℃ 和70%，并在此时断开温湿度控制器使加热器和加湿器一直处于工作状态。气候室湿度控制在70%，温度分别调节为10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃，记录三个二次小室柜体内壁形成凝露所需的时间，如表2所示。

表2 不同柜壁粗糙程度下凝露时间

从表2中提取数据进行处理可以得到如图5所示的折线图。

分析表2和图5可以发现：在相同的实验条件下，三种柜壁粗糙程度对应的凝露时间由长到短依次为：粗糙、较粗糙、光滑。例如：当气候室温度为20 ℃时，三种柜壁粗糙程度对应的凝露时间依次为：16 min、10 min、5 min。粗糙壁面对应的凝露时间比其他两种壁面对应的凝露时间都长。凝露时间与柜壁的表面粗糙度正相关，凝露时间随柜壁表面粗糙度的增大而增长。柜壁表面喷砂工艺处理后满足疏水表面的条件，基于前文实验原理部分的分析，当柜壁的粗糙程度增大时，柜壁与凝露液滴之间的实际接触面积增大，而二者的表观接触面积保持不变，固体与液体之间的表观接触角增大，柜壁的疏水性随之提高，水蒸气不易在柜壁凝结，凝露时间增长。

图5 凝露时间与柜壁粗糙程度关系Fig.5 The relationship between condensation time and rough conditions

3.2 不同二次小室初始温度

实验时二次小室的初始温度同样会影响本次试验的凝露时间。改变二次小室内初始温度，使其为30 ℃、25 ℃、20 ℃，进行凝露实验，记录凝露时间。从实验数据中提取壁面B的三组实验数据，如表3所示。

表3 壁面B不同初始温度凝露时间

从中提取数据并处理，如图6所示。

分析表3和图6可以发现：当柜壁的粗糙程度和气候室温湿度一定时，凝露时间随小室内初始温度的升高而减小。例如：当气候室温度为20 ℃时，小室内起始温度20 ℃、25 ℃、30 ℃对应的凝露时间分别为37 min、32 min、16 min。小室壁面发生凝露的必要条件之一是小室内的温度比外部高，且凝露时间与柜内外温差呈负相关，即内外温差越大凝露时间越短。当气候室温湿度不变时，小室内外的温差只与小室内部的温度有关，内部温度越高，内外的温差越大，凝露时间也就越短。

图6 凝露时间与二次小室初始温度关系Fig.6 The relationship between condensation time and initial temperatures in secondary cabinet

当小室内部初始温度和材料的粗糙程度一定时，凝露时间随气候室温度的上升呈现先增大后减小的趋势。同时，当柜内的初始温度不同时，最大凝露时间对应的气候室温度也不同：二次小室初始温度为20 ℃和25 ℃时，最大凝露时间出现在气候室温度为20 ℃时；二次小室初始温度为30 ℃时，最大凝露时间出现在气候室温度为15 ℃时。凝露时间除了受到柜内外温差的影响，还受到其他多种因素的影响，空气中的含湿量便是其中之一。温度、空气相对湿度与含湿量三者之间的关系如图7所示。由于二次小室内部温度变化不大，当气候室温度较低时，柜内外温差会随气候室温度的升高而变小，凝露时间随之变长；当气候室温度较高时，柜内外的温差不大，但此时由于空气温度较高，一定空气相对湿度对应的含湿量较空气温度较低时有明显增大，空气中水分子的增多使其更容易在小室壁面析出，从而使凝露时间减小。从图6中还可以看出，在空气的相对湿度较大时，随温度的升高，含湿量变化曲线的斜率出现明显增大，即相同空气相对湿度下，温度越高含湿量随温度的增大越快。因此，温度越高，凝露时间受到温差的影响越小，而受到空气含湿量的影响越大。

图7 温度、空气相对湿度、含湿量的关系Fig.7 The relationship between temperature, air relative humidity and moisture content

4 结 论

本文在人工环境气候室内搭建了环网柜二次小室凝露现象研究实验系统，记录了不同环境温度及二次小室初始温度下，粗糙、较粗糙、光滑壁面形成凝露所需的时间，得出如下结论：

(1)粗糙柜壁的凝露时间远长于较粗糙和光滑两种情况，增加柜壁的粗糙程度对于户外设备防凝露具有积极作用。

(2)相同柜壁粗糙程度和初始温度条件下，凝露时间随气候室温度的升高呈先增大后减小的趋势，即存在最优的环境温度使二次小室内最不易发生凝露现象。

(3)当柜壁的粗糙程度和气候室温湿度相同时，凝露时间随小室内初始温度的升高而减小，即二次小室柜内外温差越小，防凝露效果越好。

(4)小室内温度较低时，温差对凝露时间的影响大于空气含湿量，凝露时间随温差的减小而增长，小室内的温度较高时，空气含湿量对凝露时间的影响大于温差，凝露时间随含湿量的增加而减小。

[1] 杨献智，章坚．10 kV配网开关柜局部放电带电检测应用[J]．电力科学与工程，2011，27(6)：71-75．

[2] 李锐鹏，吴英俊，刘鹏，等．基于TEV检测的10 kV开关柜中局部放电定位方法[J]．电力科学与工程，2014，30(10)：52-57．

[3] 朱晨光，徐铭辉，华争祥，等．基于小波变换的开关柜电磁干扰分析[J]．电力科学与工程，2015，31(7)：40-45．

[4] 李欢，李永倩，王虎，等．拉曼测温系统在高压开关柜监测中的应用研究[J]．电力科学与工程，2012，28(3)：40-44．

[5] 罗宣国，夏丽建．电气设备的防凝露技术研究[J]．可再生能源，2014，32(4)：489-492．

[6] 宋芳，李小伟．棒-板短间隙在不同环境下的电场特性研究[J]．绝缘材料，2016，49(7)：49-54．

[7] 律方成，王永强，李和明．基于环境因素影响规律分析的电容型设备绝缘状况诊断方法[J]．华北电力大学学报(自然科学版)，2009，36(1)：5-9．

[8] 羊万其．室外端子箱凝露现象与解决方案分析[J]．技术与市场，2014，21(1)：56-57．

[9] 郝瑞英，葛天舒，代彦军．金属表面涂覆干燥剂的防凝露研究[J]．上海交通大学学报，2014，40(11)：1588-1594．

[10] 曲文韬，黄锐，吕俊涛．220kVGIS设备漏气原因分析及预防措施[J]．电力科学与工程，2013，29(8)：21-26．

[11] 高强，曾常安，贾峥．辐射计检测绝缘子污秽的天线温度模型[J]．华北电力大学学报(自然科学版)，2007，34(6)：92-96．

[12] 林浩然，牛海清，张耿斌，等．高湿条件下空气间隙放电规律的试验研究[J]．高压电器，2014，50(1)：87-91．

[13] 宋思齐，王昱晴，何正浩，等．涂污户内支柱绝缘子在凝露情况下的交流闪络特性研究[J]．电磁避雷器，2016，(3)：25-29．

[14] 姜毅，周成华，郭俊峰，等．智能端子箱防凝露控制器的研制与试验研究[J]. 高压电器，2010，46(8)：59-62．

[15] 孙亚芬.高压电路设备防凝露控制的研究[J]．自动化技术与应用，2009，28(4)：100-102．

[16] 周丰群，张义民，何超．电气设备用温度凝露控制器的研制[J]．电力自动化设备，2002，22(3)：61-62．

[17] 陈静洁，蔡奕龙，高伟，等．基于WSN和露点控制的开关柜防潮系统研制[J]．电气应用，2015，(7)：97-101．

[18] 党向东．户外控制柜防凝露设计概述[J]．电气制造，2011，(10)：38-39．

[19] 吴秋亮，张永刚，姚淮林．置换通风在中压开关柜中的应用[J]．电工电气，2011，(11)：62-64．

[20] 翟筱羿，方猛，何建锋，等．电连接器结露因素和防结露方法研究[J]．航天器环境工程，2014，31(3)：292-295．

[21] 曹树龙．铜材表面超疏水纳米膜构筑及抗凝露与滴状冷凝性能研究[D]．苏州：苏州大学，2013．

[22] 李会娟．超疏水铝箔的可控制备及抗凝露抗结霜性能研究[D]．南京：南京理工大学，2013．

[23] 殷平，沈国励，王桦．超疏水表面防凝露[J]．暖通空调，2006，36(4)：50-56．

[24] 周蕊，金海云，高乃奎，等．表面粗糙度对硅橡胶材料表面超疏水性的影响[J]．中国表面工程，2009，22(6)：30-35．

[25] 周鹏翔，王猛，李辉，等．粗糙疏水表面冷凝形核特性研究[J]．化学工程，2012，40(7)：30-42．

[26] 袁田，张锐，吴光亚，等．运行复合绝缘子表面粗糙度对憎水性特性的影响[J]．高电压技术，2012，38(11)：2993-2999．

[27] 胡瑢华．公差配合与测量[M] ．北京：清华大学出版社，2005．

[28] GB/T 1031—2009．产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值[S]．北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会，2009．

Research on Condensation in Secondary Cabinet of Ring Main Unit Considering the Impact of Roughness

LIU Yunpeng1, GUO Jiayi1, GUO Qin1, GENG Jianghai1, WANG Yanfei2, LIU Ruoxi3

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 3. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100075, China)

Condensation is one of the most important problems which affects the safety and reliability of electrical equipment and the entire power system. An experiment system of condensation inside the cabinet is set up based on artificial climate chamber. Condensation formation time under different environmental conditions are recorded when the wall surface of the chamber is in rough condition, rougher condition and smooth condition. The results show that, the rougher the surface is the longer condensation time in secondary cabinet is. There is an optimal ambient temperature making it less possible for condensation in the chamber. The smaller the temperature difference between inside and outside is the better anti-condensation is. When the temperature in the cabinet is low, effect of temperature difference on condensation time is greater than humidity ratio and the condensation time increases as the temperature difference decrease. If the temperature in the cabinet is high, effect of humidity ratio on condensation time will be greater than temperature difference. And the condensation time decreases as the humidity ratio increases.

ring main unit; secondary cabinet; roughness; condensation time

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.02.01

2016-08-23.

国家电网公司科技项目资助(5202231402LB).

TM81

A

1007-2691(2017)02-0001-06

刘云鹏(1976-)，男， 教授，博士生导师，研究方向为特高压输电技术、电气设备状态监测与故障诊断和高电压绝缘技术等；郭佳熠(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术；郭沁(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术；耿江海(1980-)，男，工程师，研究方向为高电压试验技术与外绝缘；王艳飞(1992-)女，硕士研究生，研究方向为控制理论与应用；刘若溪(1982-)，男，高级工程师，研究方向为配电网故障诊断与设备故障分析。