张启凡 周瀚林 陈克慧 林明星
重庆市电力公司永川供电分公司 402460
【摘要】：电力设备的防潮，有助于提高电力设备的可靠性，传统的防潮措施是通过添加风机、除湿机等设备、虽然能有效地防潮，但是需要定期对设备进行维护、加大运维人员的工作量。本文对环网柜容易产生凝露的原因进行了分析，分析了外界条件对环网柜内部温湿度的影响效果，概括出两个重要的原因，并提出了相应的改进措施，采用有限元分析软件ANSYS 对改进土建基础的环网柜的温度场和湿度场进行仿真计算，仿真结果验证改进基础后的理论可行性，最后，采用设计的新土建基础对某线路进行改造，通过定期监测温湿度的变化验证了本设计的有效性。
【关键词】：环网柜；土建基础；温湿度场；有限元分析；
一、引言
随着城市现代化建设的加快，道路改造，城市的美化，配网10kV架空线路逐步下地、将杆塔T接的用户高压电缆，改接到环网柜，环网柜在配电网扮演越来越重要的角色，许多街道的电缆线路，环网柜、箱变等越来越多，随之而来的问题是环网柜、箱变底部防潮、除湿[1]。为了延长箱变、环网柜、电缆分支箱的使用寿命，环网柜、箱式变底部防潮、除湿刻不容缓。如何延长箱式变、环网柜、电缆分支箱的使用寿命，减少箱式变、环网柜、电缆分支箱底部潮气，成了我们最头疼的问题，如何减少箱式变底部潮气，就能够使电缆的正常运行，就可以为居民连续可靠供电。抛开环网柜设备本身的质量问题，在讨论电器设备运行过程中离不开两个参数：温度和湿度。温度过高会加速电力设备的绝缘老化，缩短电器设备寿命。同时使空气中水蒸气量上升，夜晚来临，周围环境温度降下来，空气中能容纳的饱和水蒸气量变少，多余的水蒸气就会从空气中渗出，当柜体内部空气相对湿度小于空气中相对湿度时，就会在箱变柜体内部或者环网柜柜体表面产生水珠，从而降低设备的绝缘性。
文献[1]在环网柜电缆沟道两侧采取加装通风管道，进风口和出风口分别设置在箱体基础的上下端，形成一个高低落差，利用大气压强原理，将空气送进沟内，来达到通风防潮的目的。文献[2]在环网柜内部加装温湿度传感器，建立了通信对环网柜进行实时的监控，保障封闭式环网柜安全稳定运行。实现了环网柜的远程监控，对环网柜运行环境进行了一个监视有效，防止凝露产生。文献[3]中使用ANSYS 的DesigneMolder 模块建立配电室的模型，并进行了仿真求解，发现风机和配电柜的散热口之间会形成风道，由于风道的影响，机柜顶部在特定区域温度会较高，而且风道间的相对湿度会明显高于其它区域，应对风道间的相对湿度进行重点监测，以防止凝露。
本文将参考上述文献，用仿真计算对该环网柜及土建基座的温度场和湿度场。研究环网柜在运行过程中温湿度变化，分析凝露过程。然后根据仿真结果，提出设计对环网柜土建基础进行改进。
二、原因分析
对环网柜定期巡视维护时发现，由于电缆沟内积水严重，沟内空气湿度较大，室外天气转热或者环网柜运行中产生的热量，下底板两侧温度、湿度不一致，使环网柜柜体内部空气在与下底板表面接触时产生凝结现象，环网柜下底板全是水珠且锈迹斑斑。又因为施工质量导致的电缆引出口密封不严．电缆与环网柜负荷开关接头处非常潮湿，最终引起接头处放电甚至爆炸如图1、图2所示。
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电缆沟在雨季积水，而环网柜内部电缆处封堵不够紧密，使得电缆沟内的水蒸气顺电缆直通环网柜内部，进一步加重柜体湿度。因电缆孔洞未封堵严实而导致柜内受潮的例子不胜枚举。电缆孔洞封堵不牢是柜内受潮的重要原因。
沟内积水形成的潮气对环网柜的影响较大，而环网柜基础为开口式，即在一开口向上的竖井基础上，直接放置环网柜，沟内水蒸气上升便附着在环网柜箱底下面进行缓慢的侵蚀。甚至渗入电缆室和母线室。对环网柜进行湿度检测如表1所示
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发现环网柜湿度和箱体底部电缆沟湿度相近，可以确定环网柜湿度来自于主要来自于箱体底部电缆沟的湿气。
三、改进措施
新建环网柜底部需添加防潮措施。新建环网柜在电缆沟与环网柜底部之间新做加工一面防水层。如此能有效地改善地下水形成的潮气对环网柜箱体下底的影响，也能防止雨水的倒灌。这是保持环网柜具备干燥运行环境有效的措施之一。
严密封堵电缆孔洞。电缆孔洞需严密封堵，并且杜绝电缆沟内长期积水。这能防止柜体下部电缆沟的湿气进入开关柜内，防止潮气与污浊腐蚀性气体进入柜内。
四、环网柜的运行环境和仿真分析
1、仿真模型建立和参数设定
利用soildworks 软件依照环网柜的几何尺寸建立模型。整体是一个空心长方体，总体分为三个部分，最下层是电缆沟模型是长45.8m，宽17 m，高18 m的长方体，上面是一个环网柜模型也是长37 m，宽16 m，高13m的长方体，我们在电缆沟和环网柜底座之间上进行防水设计，采用木板和钢筋隔离，留出6个电缆排管口，并用混凝土现浇。彻底隔绝水源。又因为有电缆从沟内穿出，然后穿入到环网柜底部电缆室，在封堵不严密的情况下水蒸气可能顺着电缆进入电缆室，因此在现浇的基础上添加6个小长方体，长0.2 m，宽0.2 m，高0.25m，再次抬高环网柜箱体底座与电缆沟的距离，利用自然风的流动降低水蒸气进入环网柜的量，环网柜内部有一排的配电柜，单个配电柜宽1m，高2 m，深1 m，共6个长方体底部至配电柜有6个小孔，直径为0.5cm，模拟随着环网柜运行电缆封堵不密情况。总体模型如图1 所示。
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采用ANSYS 的Icepak 模块进行流固耦合求解。选择k-ε 湍流模型作为计算模型，它能较好地处理压力梯度较小的流动［13］，同时开启能量守恒方程和组分运输方程。求解参数的设定直接影响仿真结果的准确性［14］，通过现场监测，环网柜内部每个配电柜的运行损耗为设定为0. 5 kW，6个柜总能耗约为3 kW。对环网柜的运行环境进行了现场查勘，在电缆沟底部放置一个水源，模拟电缆沟内有积水无法排除的情况，根据实际环境条件冬季和夏季的温湿度情况，设定室外温度25 ℃，相对湿度77 %。配电室内运行环境要求温度不大于40 ℃、相对湿度不大于80%，根据该条件初步算得需要的风量为3.4m3/s。
同时，考虑到房间少量气流会渗入机柜内，设置孔率为0. 01，进风格栅孔隙率为0. 4。根据现场的监测数据，整理后的仿真参数见表1。
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2.仿真分析
上述步骤完成后，进行仿真计算结果查勘：
结果显示在外部室外温度设置25°C的条件下，柜内空气最高温度41.85°C且靠近左上角离环网柜内配电柜较远，实际靠近配电柜最高温度仅为39.85°C，最低温度26.85°C如图4环网柜内部空气包温度分布图所示。环网柜柜内配电柜最高温度为37.85°C，最低温度36.85°C。图5环网柜内部配电柜温度分布图所示
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在外部室外湿度77%设置的条件下，柜内空气最高湿度72.05%，最低湿度为59.96%。低于设置的大气湿度77%，不会发生凝露现象。
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环网柜湿度-空气湿度=72.05%﹣77%＝﹣4.95%＜1.5%
3.实际效果验证
基于上面仿真结果，建设了3个防潮设计新基础，对环网柜湿度进行跟踪检测，实际测量结果绘制表2
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通过数据检测得知，采用防潮设计新基础后，环网柜湿度平均值-空气湿度平均值：=62.6%﹣62.6%＝0%＜1.5%
图7为10kV梧廉线玉伍廉住房环网柜电缆室照片，改环网柜建设于2020年5月24日，照片拍摄于2020年10月10日（前几天一直小雨绵绵）早上9点35分，室外温度17°C，天气阴，经过经5个月的天气变化，环网柜电缆室的玻璃上并未出现凝露现象。
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五、结论
本文分析了可能导致环网柜凝露的两条重要原因一是高压电缆进出口有湿气渗入，二是环网柜传统土建基础不能隔绝电缆沟内湿气。通过改进环网柜土建基础从而改善环网柜凝露问题，先采用的仿真方法进行结果预测，合格后，实际建造成品并进行几个月的跟踪检测对且取得了比较理想的效果，解决了电缆沟内由于湿度大、造成环网柜凝露频发的问题。
参考文献：
[1]陈 明, 康忠祥.柜内电气设备受潮危害及防潮措施[J].山东工业技术，2019（12）：147.
[2]范强，戴宇，胡挜喆，徐长宝，张历，王清海.高压配电室温度与湿度的智能调节系统研究[J].广东电力，2018（12）：147~152.
[3]范强，吕黔苏，邱继艳，王旭，戴宇，胡挜喆.配电室温度场与湿度场的建模与仿真分析[J].电力大数据，2019（1）：48~53.