地下双层结构变配电站环境控制技术研究内容「袢环结构」

今天带来地下双层结构变配电站环境控制技术研究内容「袢环结构」，关于地下双层结构变配电站环境控制技术研究内容「袢环结构」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

国网上海松江供电公司、中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司、无锡赛孚电力环境控制设备有限公司的研究人员陈玉辉、戴人杰、刘明涛、承方，在2019年第10期《电气技术》杂志上撰文指出，地下二层结构变配电站因环境控制问题导致的开关柜故障主要是由凝露引起的。

本文在对开关柜运行故障现象分析的基础上，通过对凝露机理的分析，找出变电站内引发开关柜凝露成因，提出防止开关柜凝露的主要措施。应用可控弱气流通风设计技术，结合智能环境控制系统，构建二层结构变配电站开关室的环境控制工程方案。

工程应用后的运行结果表明，该系统可以有效地控制变配电站开关室内的温度和湿度，防止潮湿凝露的产生。与常规的环境控制技术相比，运行能耗显著下降，室内空气品质得到有效控制，维护工作量显著降低，变配电站的运行环境得到有效改善，环境控制的智能化水平得到提高。

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用地面积的下降，越来越多的城市供配电设施从地面转向地下，给供配电设施的运行维护增加了难度；随着互联网 技术的发展，智能变配电站的建设对变配电站运行环境的控制也提出了要求。

本文基于解决长江流域及以南地区地下变配电站运行过程中在开关柜和室内出现的空气凝露问题，系统地构建城市地下变配电站低能耗智能环境控制解决方案，为变配电站提供安全稳定的运行环境。

1 地下变配电站环境运行现状分析

现有的城市地下变配电站运行的环境控制，一般采用的是机械通风、空调降温、除湿机等方式，满足变配电站全年大部分时段的要求，但对于某些特殊时段，由于室外气候的突变（主要指空气温度、湿度以及含尘浓度的变化），会引起电气元器件或开关柜结构件上产生凝露、灰尘积聚，导致变配电站运行发生故障（表现为短路、污闪等）。

根据某供电公司提供的辖区内发生的变配电站故障现象，可分为以下两类。

1）开关柜内断路器手车内部凝露引起接地短路故障，如图1所示。

图1 断路器手车故障现象

2）母线内部凝露引起接地短路故障，如图2所示。

图2 母线内部结露引起短路的现象

这些开关柜柜门因凝露出现白色盐化印记（如图3所示），开关触头铜绿现象严重。

运行维护部门从以下几个方面对故障现象进行了分析。

1）电气柜结构方面。上述发生凝露的开关柜，配置的是10kV中置手车式金属铠装开关柜和10kV环网柜。开关柜顶部均采用的是密封封板，没有透气孔，导致湿气一旦进入柜内，将不能有效跑出去。

图3 开关柜柜门白色盐化现象

2）绝缘方式及除湿功能方面。10kV中置手车式金属铠装开关柜为空气绝缘方式，电缆室及断路器配加热器；SM6型10kV环网柜除三位置闸刀气包为SF6气体绝缘，其他都采用空气绝缘，只有电缆仓配加热器。

3）运行环境方面。故障及发现隐患的开关柜、环网柜都安装在电缆沟布置的电站中，其中好几座站靠近河道，站内总体环境湿度较大。

根据以上分析，初步的结论如下：变配电站采用电缆沟或地下电缆夹层的结构形式，柜子下方湿度大，湿气进入开关柜、环网柜电缆仓后加热器工作，将湿气往上部送，由于开关柜、环网柜内部没有透气孔，湿气在往上跑的过程中碰到开关室、母线室等金属顶板及其他绝缘件外表，冷热差使得水汽凝露，造成柜内绝缘降低及导电部分对绝缘件放电，设备长期运行，造成凝露部位的绝缘件老化，绝缘性能降低。

根据上述分析，相关部门提出了初步整改意见，主要包括：在开关柜泄压通道顶部应有透气孔；对母线室连接绝缘件进行加强；加装除湿器（上海某供电公司有145个开关站的开关室安装了除湿器）；土建增加除湿系统，提高环境控制标准，由出资单位增加部分费用。

上述解决方案，对减少因凝露引发的停电跳闸事故有一定的改善作用，但并不能从根本上杜绝凝露现象的出现，相应地导致了变电站运行能耗和运行维护工作量的增加，对地下双层结构变配电站的运行环境和控制水平没有太大的改善。

2 凝露机理分析

地下双层结构变配电站（在电缆层/电缆沟布置开关室）故障频发的主要原因是凝露，在解决此问题前，必须认清凝露的机理，破坏凝露发生的条件，才能从根本上杜绝凝露现象的出现。

2.1 空气凝露的机理

根据空气动力学理论，借助湿空气焓湿图（如图4所示），分析凝露的机理。

图4 湿空气焓湿图

在焓湿图中，横坐标表示湿空气的焓湿量，即每千克干空气中水蒸汽的含量，是湿空气中水分含量的绝对值；纵坐标表示湿空气的温度；在焓湿图中一系列抛物线表示等相对湿度线，相对湿度是表示湿空气的绝对湿度（焓湿量）与相同温度下可能达到的最大绝对湿度（最大焓湿量）之比，是表示空气中水蒸汽含量相对值，用百分数表示。

饱和空气是指一定温度和压力下，能够容纳最大限度水蒸汽的湿空气状态，其相对湿度为100%，在焓湿图中抛物线族中最下方；露点温度是指在焓湿量和气压都不改变的条件下，将湿空气冷却到饱和时的温度，在焓湿图中与相对湿度100%对应的纵坐标温度即为该焓湿量对应状态下的露点温度。

在现实环境中，如果湿空气接触的物体表面温度低于该空气的温度，空气将热量传递给接触的物体，空气温度下降，同时其相对湿度提高，物体表面温度升高，但两者升高速率不一样。一般情况下，空气热容量低，降温速度一般大于固体物体吸热后的升温速度，当空气温度降至露点温度时，如果仍高于物体表面温度，空气温度将继续下降，此时空气中的水蒸汽将从空气中以液态形式析出，在物体表面形成水滴，形成凝露。

通过上述分析可以发现，形成空气凝露的条件是湿空气（水分）、开关元器件与周围空气的温差。

2.2 湿空气（水分）进入开关柜室途径

对于地下双层或多层结构的变配电站，湿空气（水分）进入室内的途径有两种：①通过通风系统，室外的潮湿空气经通风系统的进风装置系统进入室内；②通过电缆沟、地下室围护结构墙体渗入，被吹掠表面的空气带进室内。

1）室外热湿空气的入侵

常规的通风系统一般采用自然或机械进风、机械排风的通风方式，排除室内电气设备散发的热量。由于常规的通风系统一般均缺乏温湿度联锁控制系统，通风系统的起停控制均由运行人员手动操作控制，即使采用自动控制，较多地设定室内温度值，控制通风系统的起停。在梅雨季节或潮湿天气，通风系统起动时，大量的室外热湿空气经进风系统进入室内。

2）电缆沟或地下室围护结构表面水分蒸发

由于地下室墙体及电缆沟与大地直接接触，大地中的水分会通过电缆沟壁或墙体渗透至表面，当电缆沟内或地下室内有一定的空气流通时，这些水分将被蒸发进入电缆沟或地下空间内；当空气流通不足时，这些水分将停留在电缆沟壁或墙壁的表面，形成水珠或水膜。

根据规范，电缆穿越沟盖板与开关柜内部接线端子线路时，应采用防火胶泥封堵，但随着运行时间的推移，防火胶泥因电缆的热胀冷缩产生裂缝，电缆沟内的潮湿空气通过这些裂缝慢慢渗入至开关柜内；而当开关柜内的电加热器起动时，柜内温度升高，使柜内侧的防火胶泥变干，与电缆沟侧的防火胶泥间形成湿度差，水分就源源不断地从电缆沟内进入开关柜内。

2.3 开关柜元器件与周围空气的温差

当开关元器件的表面温度低于周围空气的露点温度时，凝露就出现在这些元器件的表面。温差的形成包括：元器件温度降低、周围空气温度升高，或两者同时出现。

1）开关柜元器件温度降低

一般情况下，开关柜及其元器件的温度与柜内柜外的空气温度相关，在开关柜工作状态下，由于电流的通过，一般温度不会下降，但由于运行过程中周围环境的作用，可能导致开关元器件或开关柜表面温度的变化速度低于空气的变化速度，结果是相对于空气温度，开关柜元器件或结构件的温度降低了。

如现在在开关室内大量使用的柜式空调机，自带的温控器依据回风口处的温度控制其起停或调频，改变空调运行功率，由于开关柜内工艺设备布置的局限，使得柜式空调设备出风口往往难以有效扩散，有时直接吹到开关柜的表面，而柜式空调的出风温度一般较回风温度有10℃以上的温差，在长时间的作用下，被直吹的开关柜表面温度降低，由于开关柜本体具有良好的导热性能，将导致开关柜内部构架温度同时降低。

开关柜门板内部的白点大多数均是由于壁板温差引起的凝露造成的。还有一种情形，安装在电缆沟上的开关柜，柜体内电气元件处于备用状态（未通电），夏季早晚温差较大时，柜内空气的升温速度低于柜外空气升温速度，也可能使该柜体构架温度明显低于室内空气温度。

2）周围空气温度升高

为了降低空气的相对湿度，增加空气的容湿能力，在许多开关柜内布置了电加热器。电加热器投入运行后，柜内空气温度升高，降低了柜内空气的相对湿度，但与此同时，也增加了经电缆夹层墙壁或电缆沟壁水分蒸发量，使得室内空气中总焓湿量增加。

另一种情形则是，为了保持地下开关室内的空气品质（含氧量），大量室外热湿空气通过通风系统的进风装置进入室内，由于地下围护结构的热惰性（迟滞效应），也会导致室内温度的迅速上升；第三种情形则是因某种故障造成开关接触电阻增加，引起开关柜工作时产生热量积聚，引起空气温度升高。

3 防止凝露发生的措施

根据凝露产生的机理，可以从减少水分进入、防止温差产生这两个方面，有效阻止地下开关站凝露的产生。

3.1 有效控制室外热湿空气进入

通过对室外空气的温湿度进行监测，当室外的湿空气焓湿量（相对湿度）升高时，应逐步减少室外空气的进入量，直至关闭室外进风，此时，通过空调降温系统，维持室内温度。为了实现有效控制，必须将传统的自然进风改为有组织的机械进风，通过对机械进风装置的控制，实现对进风量的控制。

3.2 控制温差

既然凝露是由温差引起的，消除室内温差，特别是开关柜内空气温度与电气或柜体结件间的温差，是防止凝露产生的重要途径。

1）维持开关室内的温度均匀（公式略）

室内温度场分布的均匀性主要取决于室内的气流组织，维持室内合理的气流组织是维持室内温度均匀的重要途径。

现有的地下开关室采用通风空调系统来维持室内温度。通风系统采用自然进风或机械进风、机械排风，由于室外空气中的灰尘随着新风进入室内，随着运行时间的增加，在开关室地面、开关柜表面和开关柜内部都存在灰尘积聚的问题，增加了运维工作量，为此安装柜式空调机，循环冷却室内空气，带走设备散热量，维持室内温度。

无论是机械通风系统还是柜式空调降温系统，均没有结合开关室的布置特点设置合理的气流组织，仅仅是根据热量平衡的原则，进行通风量和空调设备容量的计算和设备选型。由于没有合理的气流组织，使得室内温度不均，导致局部地点因热空气无法扩散，气温上升，而某些地点因处在送风口或其影响区域范围内，温度偏低。

为了有效控制室内的气流组织，采用正压送风、自然或机械排风的气流组织。

根据公式计算，采用机械送风方式更有利于控制室内的气流组织。

根据开关室的电气设备发热特性，我们引用热置换通风的原理，从房间下部送入较低温度的空气，这些空气沿地面扩散，蔓延至整个房间，到达开关柜后，吸收开关柜的热量后缓慢上升，在送风设备的压头与开关设备散热形成的热压双重作用下，送风源源不断地补充到发热的开关柜处，而没有散热的开关柜因少了设备发热引起的热压作用，送风达到该区域的量就较少，从而保证了开关柜间周围空气温度均匀性。

为了实现这样的气流组织，需要对传统的柜式空调机或上分设备进行改造。因为传统的柜式空调机是为人员舒适性服务的，一般采用前下回风，前上出风，以避免出风口对着人员高度直吹而产生不适，但用于变配电站开关室降温时，这种方式将导致室内气流组织的混乱，热空气位于开关柜顶部区域，理想的回风方式应是从开关柜顶部上方回风，送至开关室地面，这样空调机、开关柜之间形成一个空气循环，不仅有效地排除开关柜散发的热量，也能因回风温度的升高有效地提高空调设备的能效。

2）控制电缆沟/电缆夹层与开关室的温度差

对于电缆沟/电缆夹层进线的开关室，应控制电缆沟/电缆夹层与开关室的温差，以减少凝露的发生。最直接的办法就是将二者的空气进行有效的混合。由于开关室的热特性，决定了开关室上部的温度要高于开关室下部的温度，因此将开关室柜顶上部温度相对较高的空气通过通风设备送入电缆沟/电缆夹层内，与电缆相/电缆夹层的空气混合后，空气温度升高，相对湿度下降，并通过排风口再次进入开关室，保持电缆沟/电缆夹层干燥的同时，也使开关室内的空气温度更趋均匀。

3）维持开关柜内外的温度均匀

为了防止热湿空气在开关柜内积聚，应保持开关柜内外的空气流通。现有部分开关柜本体没有设置必要的通风装置，一旦有潮湿空气进入（如柜门开启），难以有效及时排出，将会有随着柜体的温度变化而产生凝露的危险。

因此建议开关柜箱体生产商应根据柜内电气设备的功能和防尘、防潮的要求，设置合理的通风设施，包括但不限于：柜体下部、上部开设进、排风百叶；柜体下部设置百叶，上部设置温控排风机；下部设置过滤进风机，上部开设散热通风口。

现有采用电加热器的防凝露措施，只能通过提高空气温度，降低空气的相对湿度，并不能将变配电间内多余的水分排除，水分的排除还是有赖于通风系统或除湿机的运行，但电热器的运行，加大了柜内空气与柜体的温差，增加了潜在的凝露风险。

3.3 加强地下结构的防水措施

为减少地下结构内水汽的产生，除了防止室外大量热湿空气的入侵外，做好地下围护结构或电缆沟壁的防水隔潮也是重要措施之一。包括两个方面：①及时完善地下室的防潮隔水层，防止地下水或土壤中的水分通过电缆沟或墙体渗透进室内；②对于已经进入电缆沟或电缆夹层的水分及时排除，防止其缓慢蒸发进入室内，对开关柜等电气设备产生潜在危害。

4 工程解决方案

根据上述分析结果，本文研发出地下双层结构站智能环境控制系统。该系统基于空气动力学、流体力学及传热学的基本概念，通过置换、诱导及变风量等复合通风方式和智能控制，实现在可控弱气流作用下的稳态对流换热，建立散热体与周围空气的动态热平衡，形成良好的室内气流组织，维持室内的温度均匀性（平面）和温度梯度（垂直面），提高通风排热效率；同时由于采用弱气流方式，降低了气流强度，从而降低系统运行能耗、噪声，也为空气净化、品质控制等多元功能的实现提供必要条件。

双层布置的地下变配电站负一层为设备层，是环境控制的重点区域，负二层为电缆层，其环境控制的要求相对可以低一些。为此，我们提出的系统方案如图5所示。

图5 系统方案图

该系统设计思路：将开关室上部区域的室内空气和室外新风根据各自参数和室内温、湿度控制要求，按比例混合后经环境控制设备（具有过滤、加压、分配、加热、降噪等功能）处理加压后，根据开关柜室和电缆夹层的温湿度参数，按比例分别送入电缆夹层和开关室底部。

在电缆夹层内，进入室内的空气与围护结构墙体、地面进行对流换热后，送入的空气温度降低，而夹层的温度升高，达到降低二层空气湿度的目的；源源不断送入的空气使电缆夹层的压力上升，通过在电缆夹层与开关室开设的防火通风口进入开关室，与直接送入开关室的空气一起，吸收开关柜的热量，维持室内的温度均匀。

随着运行时间的延长，开关室上部空气状态参数超过设定值时，系统自动调整回风和新风比例，同时控制排风机起动，将上部高温的热湿空气排出室外。

为了实现上述设计思路，我们将环境控制设备、排风装置等与室内温湿度传感器集成在一个智能系统平台，并固化在环境控制设备上。通过监测开关室、电缆层和室外大气的状态参数，自动调整新风（室外进风）、回风（开关柜顶部区域空气）和排风（开关室顶部的热湿空气）的风量，从而阻止室外大量热湿空气的侵入，保持室内干燥，彻底杜绝凝露的产生。

5 实际运行效果

上海某地下双层布置的变电站，下层（负二层）为电缆层，层高2.5m，上层（负一层）为设备层，层高5m。单层面积约180m2。配置有800kVA配电变压器两台，高低压配电柜、开关柜17个，电容器柜两个。总发热量28kW左右。

由于设备高度大多在2m左右，故将工作区高度设为2.5m（热力分层最低高度）。2.5m以上区域可以不作考虑。工作区温度兼顾设备运行需要和短期有人工作的舒适度需要设定为25℃～30℃（在 20℃～35℃范围内均可调）。

工程投运后，经第三方权威部门检测，各项指标均符合设计要求。其中工作区温度在25℃±2℃范围内，湿度＜85%，1.5m水平方向温度梯度最大值＜0.7℃，达到甚至超过预期效果。

除了上述温湿度参数得到准确控制外，该系统带来的附加效应还表现在以下几个方面：

1）有效阻止室外热湿空气的侵入。当室外空气处于高热高湿状态时，智能环境控制系统通过减少或关闭新风进风口，采用大比例回风或短时全回风系统运行，阻止热湿空气进入，防止凝露现象出现。2）系统运行能耗显著下降。由于充分利用地下空间冬暖夏凉的特性，将室外空气送入电缆夹层，可对室外空气进行预冷，减少了空调冷却所需能耗。3）减少变配电站开关室的运行维护工作量。由于室外空气的进入得到有效地控制和处理，随室外空气进入室内的灰尘量大大减少，开关站地面和开关柜表面积灰的可能性下降，既能预防因灰尘积聚产生的污闪，也减轻了运行维护工作量。4）改善了电缆层的空气品质。由于将开关室上部的干热空气送入电缆夹层，加强了电缆层空气流通的同时，降低了电缆层内的空气相对湿度，减小了电缆层与开关室内空气的温差，从而有效地防止了凝露的产生。结论

本文在现有的地下二层结构变配电站运行故障分析的基础上，根据对凝露机理的分析，总结出布置在电缆层上的开关柜室产生凝露的主要因素是外部水分的进入和室内温差的出现，从防止水分进入和消除温差两个方面，提出了防止开关室凝露产生的主要措施，并提出了采用以可控弱气流通风技术为核心，结合温湿度传感器、控制风阀、空气处理设备等，构建智能控制系统，形成变电站智能环境控制系统。

通过在工程中的应用，表明该系统可以有效地控制开关室内的温度和湿度参数，消除凝露产生的因素，降低开关柜因凝露发生故障的风险，环境控制系统运行能耗显著下降，室内空气品质得到有效控制，变配电站的运行环境得到有效改善，维护工作量显著降低，环境控制的智能化水平得到提高。