12kV常壓密封開關設備防水、透氣和防凝露裝置技術研究

摘 要：針對常壓密封開關設備要求內外氣壓差為零（保持通氣），又要不使水氣、塵埃進入開關柜內部技術要求，對防水透氣方面的技術進行了深入研究，采用氣體分子篩膜技術、空氣過濾等技術，研制出適用于常壓密封開關設備的防水透氣裝置，該裝置有效的將空氣壓中的水分子進行隔離，從而實現了開關氣箱內部的絕緣安全可靠。

關鍵詞：常壓密封；凝露；空氣過濾；防水透氣裝置

中圖分類號：TM 516" " " 文獻標志碼：A

在“雙碳”目標下，由于SF6氣體是溫室氣體，一定質量的SF6氣體的相當于3.5萬倍的碳，因此研制無SF6氣體的開關設備已迫在眉睫。常壓密封開關設備是采用純空氣絕緣的高壓開關，是新一代環(huán)保型開關產品。該開關柜要求內、外氣壓差為零（保持通氣），又不能讓水氣、塵埃進入開關柜，確保開關柜不發(fā)生凝露、閃絡現象。針對空氣中水和氣如何可靠隔離這個技術難點，本文通過研究防水透氣的關鍵技術，對目前存在的問題提出相應的解決措施，研制出專用的防水透氣裝置。并通過試驗數據進行驗證，證實了研制的防水透氣裝置能有效隔離空氣中的水分子，確保開關設備長時間安全、可靠地運行[1]。

1 目前防水透氣裝置功能存在的問題

1.1 內、外不透氣方式的采用

進行生產加工時，確保氣箱內、外的氣壓相同，但氣箱內并沒有做到與外部通氣，沒有采用防水透氣相關技術，產品只能確保在生產制造過程中氣壓相等，如果產品在不同的海拔投運，就會造成箱內、外的氣壓不相同，海拔越高，氣箱承受的壓力越大。實際運行中，由于氣箱的密封焊接技術做得不到位、變形等因素，會造成氣箱漏氣，影響產品安全可靠運行。

1.2 防水、透氣技術缺陷

不少廠家對空氣中水各氣分離技術缺乏深入研究和對該技術解決措施的成本投入，對于防水、透氣這個技術難題，僅采用簡單的單層隔離技術措施，例如采用石棉材料、化學纖維和聚乙烯膜等簡單的單層隔離措施，效果較差，不能滿足防水、透氣要求。產品實際投運一段后時間后，氣箱內部就會產生凝露，影響氣壓內部電氣絕緣，尤其是在環(huán)境較差的場合，很容易出現開關設備絕緣擊穿故障，影響設備的安全運行。

2 市場上的2種典型產品防水、防凝露技術分析

2.1 以廠家（一）為代表的常壓密封技術

斷路器主回路是在ABB充氣柜的基礎上進行加強絕緣，加大爬距；柜體用普通敷鋁鋅板，鐵板拼接處涂有密封膠，如圖1所示；氣箱開有專門通氣孔，并用類似石棉封堵（分別如圖2、圖3所示），柜頂有斜面導水板，并在適當位置開有流水口；開關背面開有檢修孔，停電檢修時可打開蓋板。

從圖1和圖2中可以看出，廠家（一）的技術是提高防護等級，當凝露積水后，水滴不滴在帶電設備上，采用疏導的辦法把水放掉，但產品在設計上并沒有滿足解決防水的技術要求。

2.2 以廠家（二）為代表的常壓密封技術

采用永磁機構型斷路器（如圖4所示）；隔離部分在ABB充氣柜負荷開關的基礎上進行了加強絕緣、加大爬距（如圖5所示）；柜體用304不銹鋼板焊接；開關背面開有檢修孔，停電檢修時可打開蓋板維修；開有專門通氣孔，并用類似石棉封堵；柜頂有斜面導水板，并在適當位置開有水導流口。

從圖4和圖5可以看出，廠家（二）采用304不銹鋼氣箱，氣箱上部開有約Φ20mm的孔，并用石棉堵塞。此法接近廠家（一）的防水透氣措施，采用石棉封堵，能有效阻擋水滴進入氣箱內部，但不能阻斷水氣進入氣箱內部。水氣進入氣箱的濃度達到一定值后，當濕度＞85%時，氣箱內會產生凝露，影響設備的安全運行[2]。

3 氣箱在不同溫度下的熱脹、冷縮試驗研究

本文對開關氣箱進行真實試驗，以獲得有效的技術參數，具體如下。試驗前，先了解密閉氣箱的壓強、體積與溫度間的物理關系，并用理想氣體方程式進行計算，如公式（1）所示。

pV=nRT" （1）

式中：p為理想氣體的壓強（Pa）；V為理想氣體的體積（m3）；n為氣體物質的量（mol）；T為理想氣體的熱力學溫度（K）；R為理想氣體常數（J/mol/K）；R為8.314。

3.1 實例計算

一個標準環(huán)網柜氣箱（單間隔），體積V≈0.18m3。1）當體積不變時，溫度從14℃增至65℃時，p1/p2=T1/T2，0.1MPa/p2=（273.15+14）/（273.15+65），p2=0.118MPa，壓強增加了0.018MPa（273.15K表示零攝氏度，即水的冰溫度）。2）當壓強不變時，溫度從14℃增至50℃時，V1/V2=T1/T2，0.18m3/V2=（273.15+14）/（273.15+50），V2=0.202m3，體積增加0.022m3（22L）。

3.2 實際試驗（體積不變時）

將試驗品放置烘箱內，溫度上限設定為60°，進行氣體膨脹試驗。將氣箱放置在烘箱內，溫度從14℃升至65℃。1）試驗結果：當體積不變時，氣箱內壓力增加了0.02MPa（與計算初始條件一樣）。2）理論與實際偏差：實測為0.02MPa，理論計算為0.018MPa，誤差率為（0.02-0.018）/0.018=11.1%。

3.3 實際試驗（壓力不變時）

將氣箱放置在烘箱內，溫度從14℃增至65℃時，氣球在烘箱外，用一根管子接到氣箱。1）試驗結果。當壓強不變時，氣球增大直徑為33cm，經計算為18.8L（沒有考慮氣球張力）。2）理論與實際偏差：實測為18.8L，理論計算為22L，（22-18.8）/22=14.5%。

3.4 實際試驗（自然陽光下）

將試驗品放置在直射陽光下進行氣體膨脹試驗。1）試驗環(huán)境。將氣箱放置屋頂，設溫度從18℃增至30℃時，氣箱表面溫度55℃。2）試驗結果。早上7：30氣箱為常壓力，在氣箱充氣嘴上套上氣球，中午時刻溫度30℃，氣箱表面溫度為55℃，實測氣球為270mm。高308mm，大約為18L。

3.5 試驗結論

當環(huán)境溫度升至30°時，首先太陽下，氣箱內的壓力約增0.02MPa，體積約增20L。其次夜晚時，氣箱內的壓力約減0.02MPa，體積約減20L。由此可推論，氣箱平均每日的熱脹冷縮的呼吸量約為20L，如按365天算，1年為7.3m3。夜晚的濕度一般在80%以上，如氣箱呼吸的7.3m3氣體水分全部留在氣箱內，對照上面數據，約有176g水分。如果176g的水都霧化在設備上，足以引起嚴重的開關設備絕緣事故。

4 本文的常壓密封開關專用防水透氣裝置

氣體分子篩膜技術是一種常用的水氣分離技術。該技術利用特殊材料的膜對物質進行分離。膜是一種多孔材料，具有選擇性和通透性，可以根據不同物質的分子大小、形狀和能溶解度的特點，實現對物質的分離。在空氣中可以利用特殊材質膜將空氣中的水分子隔離出來，防止進入氣箱內部[3]。

研制防水透氣膜的原料為聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的特點為耐高低溫、耐腐蝕、耐氣候、高潤滑、不黏附、無毒害且壽命長；缺點為抗蠕變性差、易冷流、回彈性差、不耐磨、不導電、不導熱且線膨脹系數大。開關是長壽命設備，需要使用30年以上，開關的配件也必須有相應的使用年限。本文研制的防水透氣裝置，尺寸比市場上現有的產品略大，孔經相差不大。區(qū)別在于本文將防水透氣膜夾在兩層4mm的毛氈中間，進口處還有一層不銹鋼網，把防水透氣膜保護起來。

4.1 本文防水透氣裝置的特點

加強了防水透氣膜的保護；降低了透氣率，延長了氣箱內、外的氣壓平衡的時間，避免箱內因氣溫變化過快而出現凝露；毛氈起到了第一層的防水作用，即毛氈的密度較大，締結水的大分子團在水表面張力的作用下，在毛氈表面形成水珠，從而形成了第一道防水層；本文防水透氣裝置還增加了一層不銹鋼網，以保護毛氈和防水透氣膜，防水透氣裝置內部具體結構如圖6所示。

4.2 研制防水透氣裝置試驗驗證

4.2.1 試驗環(huán)境下的模擬驗證

測試裝有本文防水透氣裝置的單氣箱的防水透氣效果。1）確認氣箱是否能夠保證是常壓（等壓）。2）將氣箱充氮氣至0.14MPa（表壓）后停止，5min后，表壓降為零，擰開放氣閥門，沒有聽到明顯的“絲絲”的出氣聲。3）試驗結果，本文的防水透氣裝置能夠確保氣箱內、外相通，氣壓相等。4）由于氣箱自然呼吸時間太長，因此當真空泵抽至負壓時進行模擬。在離氣箱1m遠處放置加濕器，將氣箱置于濕氣環(huán)境中，觀察水分能否進入氣箱。

試驗設備如下：單氣箱、真空泵、加濕器、防水透氣裝置、抽真空接頭、上觀察窗、側觀察窗、抽氣管和氣壓表。

試驗過程包括以下3步。1）環(huán)境溫度為20℃～30℃、環(huán)境濕度為80%時，連接試驗設備。2）開啟真空泵（開半個小時、停半小時），同時開啟加濕器（連續(xù)開啟）。3）真空泵工作約8h，抽吸量為28.8m3，相當于氣箱在正常環(huán)境下4年的呼吸量。

試驗結果如下：對照上面數據，實測氣箱濕度，根據氣箱尺寸并通過理論計算氣箱內僅有4.6g水分，通過氣箱觀察窗可較清楚地看到氣箱內干燥無水氣、凝露等現象。

4.2.2 防水透氣裝置在戶內潮濕處試驗

將氣箱長時間放置戶內潮濕處，觀察水分能否進入氣箱。試驗結果顯示，放置在潮濕環(huán)境中一年，氣箱內無水氣、凝露現象。

4.2.3 防水透氣裝置戶外試驗

將氣箱放置戶外環(huán)境，觀察水分能否進入氣箱。具體為在氣箱底下放置一盆水，再用塑料薄膜圍起來，使模擬設備處于電纜溝的工作環(huán)境。經過春、夏、秋、冬4個季節(jié)，并同時在太陽直射下，觀察潮氣和水蒸氣上升時水分能否從防水透氣裝置進入。試驗結果顯示，近一年的時間內氣箱內潔凈無塵、無水氣。

5 結論

通過試驗驗證可知，本文的防水透氣裝置能夠有效防止氣箱在微負壓下進入水氣，在室內、室外相對環(huán)境條件較差的場合，也可以確保氣箱內水分、濕度在可控范圍內，不會產生凝露，能確保常壓密封開關設備長時間安全可靠運行。

目前，采用該技術的防水透氣裝置常壓密封空氣絕緣環(huán)網柜產品在多地項目中進行試點運行，設備運行安全可靠，沒有出現由氣箱內水氣、凝露等原因導致的絕緣故障，取得了良好的社會經濟效益。

參考文獻

[1]肖淑偉.10kV常壓密封空氣絕緣環(huán)網柜的技術特征以及應用優(yōu)勢分析[J].電力設備管理，2022（2）：352-354.

[2]張志鵬.10kV常壓密封空氣絕緣環(huán)網柜的技術特征及應用分析[J].電力設備管理，2023（6）：273-275.

[3]呂恩林，朱慶荷，王競如，等.關于10kV常壓密封空氣絕緣環(huán)網柜自動化成套裝置驅動裝置[J].電力設備管理，2022（11）：272-274.