12kV_常压密封开关设备防水、透气和防凝露装置技术研究

3.2 实际试验（体积不变时）
将试验品放置烘箱内，温度上限设定为 60°，进行气体 膨胀试验。将气箱放置在烘箱内，温度从 14℃升至 65℃。1） 试验结果 ：当体积不变时，气箱内压力增加了 0.02MPa（与 计算初始条件一样）。2）理论与实际偏差：实测为 0.02MPa， 理论计算为 0.018MPa，误差率为（0.02-0.018）/0.018=11.1%。
工业技术
2024 NO.3（上） 中国新技术新产品
12kV常压密封开关设备防水、透气和防凝露
装置技术研究
施新勇 丁建平 金 梦 顾学明 吴 佳 （北京四方继保工程技术有限公司，北京 100085）
摘 要 ：针对常压密封开关设备要求内外气压差为零（保持通气），又要不使水气、尘埃进入开关柜内部技术要求，
目前，采用该技术的防水透气装置常压密封空气绝缘环
测试装有本文防水透气装置的单气箱的防水透气效果。 网柜产品在多地项目中进行试点运行，设备运行安全可靠，
1）确认气箱是否能够保证是常压（等压）。2）将气箱充氮 没有出现由气箱内水气、凝露等原因导致的绝缘故障，取得
气至 0.14MPa（表压）后停止，5min 后，表压降为零，拧开 了良好的社会经济效益。
图 6 自制防水透气装置
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1 目前防水透气装置功能存在的问题
有流水口 ；开关背面开有检修孔，停电检修时可打开盖板。 从图 1 和图 2 中可以看出，厂家（一）的技术是提高防
护等级，当凝露积水后，水滴不滴在带电设备上，采用疏导 的办法把水放掉，但产品在设计上并没有满足解决防水的技 术要求。
2.2 以厂家（二）为代表的常压密封技术
在“双碳”目标下，由于 SF6 气体是温室气体，一定 质量的 SF6 气体的相当于 3.5 万倍的碳，因此研制无 SF6 气 体的开关设备已迫在眉睫。常压密封开关设备是采用纯空气 绝缘的高压开关，是新一代环保型开关产品。该开关柜要求 内、外气压差为零（保持通气），又不能让水气、尘埃进入 开关柜，确保开关柜不发生凝露、闪络现象。针对空气中水 和气如何可靠隔离这个技术难点，本文通过研究防水透气的 关键技术，对目前存在的问题提出相应的解决措施，研制出 专用的防水透气装置。并通过试验数据进行验证，证实了研 制的防水透气装置能有效隔离空气中的水分子，确保开关设 备长时间安全、可靠地运行 [1]。
2 市场上的2种典型产品防水、防凝露技术分析
图 1 套管处涂密封胶
2.1 以厂家（一）为代表的常压密封技术
断路器主回路是在 ABB 充气柜的基础上进行加强绝缘， 加大爬距 ；柜体用普通敷铝锌板，铁板拼接处涂有密封胶， 如图 1 所示；气箱开有专门通气孔，并用类似石棉封堵（分 别如图 2、图 3 所示），柜顶有斜面导水板，并在适当位置开
图 2 通气处放置石棉
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棉封堵 ；柜顶有斜面导水板，并在适当位置开有水导流口。 数，具体如下。试验前，先了解密闭气箱的压强、体积与
从图 4 和图 5 可以看出，厂家（二）采用 304 不锈钢 温度间的物理关系，并用理想气体方程式进行计算，如公式
气箱，气箱上部开有约 Φ20mm 的孔，并用石棉堵塞。此法 接近厂家（一）的防水透气措施，采用石棉封堵，能有效阻 挡水滴进入气箱内部，但不能阻断水气进入气箱内部。水气 进入气箱的浓度达到一定值后，当湿度＞ 85% 时，气箱内 会产生凝露，影响设备的安全运行 [2]。
3 气箱在不同温度下的热胀、冷缩试验研究
采用永磁机构型断路器（如图 4 所示）；隔离部分在 ABB 充气柜负荷开关的基础上进行了加强绝缘、加大爬距（如图 5 所示）；柜体用 304 不锈钢板焊接 ；开关背面开有检修孔， 停电检修时可打开盖板维修 ；开有专门通气孔，并用类似石
1.1 内、外不透气方式的采用
进行生产加工时，确保气箱内、外的气压相同，但气箱 内并没有做到与外部通气，没有采用防水透气相关技术，产 品只能确保在生产制造过程中气压相等，如果产品在不同的 海拔投运，就会造成箱内、外的气压不相同，海拔越高，气 箱承受的压力越大。实际运行中，由于气箱的密封焊接技术 做得不到位、变形等因素，会造成气箱漏气，影响产品安全 可靠运行。
3.3 实际试验（压力不变时）
图 3 石棉材料
将气箱放置在烘箱内，温度从 14℃增至 65℃时，气球 在烘箱外，用一根管子接到气箱。1）试验结果。当压强不 变时，气球增大直径为 33cm，经计算为 18.8L（没有考虑气 球张力）。2）理论与实际偏差 ：实测为 18.8L，理论计算为 22L，（22-18.8）/22=14.5%。
3.5 试验结论
当环境温度升至 30°时，首先太阳下，气箱内的压力约 增 0.02MPa，体积约增 20L。其次夜晚时，气箱内的压力约 减 0.02MPa，体积约减 20L。由此可推论，气箱平均每日的 热胀冷缩的呼吸量约为 20L，如按 365 天算，1 年为 7.3m3。 夜晚的湿度一般在 80% 以上，如气箱呼吸的 7.3m3 气体水 分全部留在气箱内，对照上面数据，约有 176g 水分。如果 176g 的水都雾化在设备上，足以引起严重的开关设备绝缘 事故。
压时进行模拟。在离气箱 1m 远处放置加湿器，将气箱置于 [2] 张志鹏 .10kV 常压密封空气绝缘环网柜的技术特征及应用
湿气环境中，观察水分能否进入气箱。
分析 [J]. 电力设备管理，2023（6）：273-275.
试验设备如下：单气箱、真空泵、加湿器、防水透气装 [3] 吕恩林，朱庆荷，王竞如，等 . 关于10kV 常压密封空气绝
4 本文的常压密封开关专用防水透气装置
图 5 绝缘子高度
气体分子筛膜技术是一种常用的水气分离技术。该技 术利用特殊材料的膜对物质进行分离。膜是一种多孔材料， 具有选择性和通透性，可以根据不同物质的分子大小、形 状和能溶解度的特点，实现对物质的分离。在空气中可以
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且寿命长；缺点为抗蠕变性差、易冷流、回弹性差、不耐磨、 不导电、不导热且线膨胀系数大。开关是长寿命设备，需要 使用 30 年以上，开关的配件也必须有相应的使用年限。本 文研制的防水透气装置，尺寸比市场上现有的产品略大，孔 经相差不大。区别在于本文将防水透气膜夹在两层 4mm 的 毛毡中间，进口处还有一层不锈钢网，把防水透气膜保护起 来。
放气阀门，没有听到明显的“丝丝”的出气声。3）试验结
Байду номын сангаас
参考文献
果，本文的防水透气装置能够确保气箱内、外相通，气压相 [1] 肖淑伟 .10kV 常压密封空气绝缘环网柜的技术特征以及应
等。4）由于气箱自然呼吸时间太长，因此当真空泵抽至负 用优势分析 [J]. 电力设备管理，2022（2）：352-354.
置、抽真空接头、上观察窗、侧观察窗、抽气管和气压表。 缘环网柜自动化成套装置驱动装置 [J]. 电力设备管理，2022
试验过程包括以下 3 步。1）环境温度为 20℃ ~30℃、 （11）：272-274.
环境湿度为 80% 时，连接试验设备。2）开启真空泵（开半
个小时、停半小时），同时开启加湿器（连续开启）。3）真 空泵工作约 8h，抽吸量为 28.8m3，相当于气箱在正常环境
1.2 防水、透气技术缺陷
不少厂家对空气中水各气分离技术缺乏深入研究和对该 技术解决措施的成本投入，对于防水、透气这个技术难题，仅 采用简单的单层隔离技术措施，例如采用石棉材料、化学纤维 和聚乙烯膜等简单的单层隔离措施，效果较差，不能满足防 水、透气要求。产品实际投运一段后时间后，气箱内部就会产 生凝露，影响气压内部电气绝缘，尤其是在环境较差的场合， 很容易出现开关设备绝缘击穿故障，影响设备的安全运行。
利用特殊材质膜将空气中的水分子隔离出来，防止进入气 下 4 年的呼吸量。
箱内部 [3]。
试验结果如下 ：对照上面数据，实测气箱湿度，根据气
研制防水透气膜的原料为聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的特 箱尺寸并通过理论计算气箱内仅有 4.6g 水分，通过气箱观察
点为耐高低温、耐腐蚀、耐气候、高润滑、不黏附、无毒害 窗可较清楚地看到气箱内干燥无水气、凝露等现象。
4.2.2 防水透气装置在户内潮湿处试验
将气箱长时间放置户内潮湿处，观察水分能否进入气 箱。试验结果显示，放置在潮湿环境中一年，气箱内无水气、 凝露现象。 4.2.3 防水透气装置户外试验
将气箱放置户外环境，观察水分能否进入气箱。具体为 在气箱底下放置一盆水，再用塑料薄膜围起来，使模拟设备 处于电缆沟的工作环境。经过春、夏、秋、冬 4 个季节，并 同时在太阳直射下，观察潮气和水蒸气上升时水分能否从防 水透气装置进入。试验结果显示，近一年的时间内气箱内洁 净无尘、无水气。
本文对开关气箱进行真实试验，以获得有效的技术参
当体积不变时，温度从 14℃增至 65℃时，p1/p2=T1/T2，0.1MPa/ p2=（273.15+14）/（273.15+65），p2=0.118MPa，压强增加了 0.018MPa（273.15K 表示零摄氏度，即水的冰温度）。2）当压 强不变时，温度从 14℃增至 50℃时，V1/V2=T1/T2，0.18m3/V2= （273.15+14）/（273.15+50），V2=0.202m3，体积增加 0.022m3 （22L）。
5 结论
了一层不锈钢网，以保护毛毡和防水透气膜，防水透气装置
通过试验验证可知，本文的防水透气装置能够有效防止
内部具体结构如图 6 所示。
气箱在微负压下进入水气，在室内、室外相对环境条件较差
4.2 研制防水透气装置试验验证 4.2.1 试验环境下的模拟验证
的场合，也可以确保气箱内水分、湿度在可控范围内，不会 产生凝露，能确保常压密封开关设备长时间安全可靠运行。
对防水透气方面的技术进行了深入研究，采用气体分子筛膜技术、空气过滤等技术，研制出适用于常压密封开关
设备的防水透气装置，该装置有效的将空气压中的水分子进行隔离，从而实现了开关气箱内部的绝缘安全可靠。
关键词 ：常压密封 ；凝露 ；空气过滤 ；防水透气装置
中图分类号 ：TM 516
文献标志码 ：A
（1）所示。
pV=nRT
（1）
式 中 ：p 为 理 想 气 体 的 压 强（Pa）；V 为 理 想 气 体 的 体 积
（m3）；n 为气体物质的量（mol）；T 为理想气体的热力学温
度（K）；R 为理想气体常数（J/mol/K）；R 为 8.314。
3.1 实例计算 一个标准环网柜气箱（单间隔），体积 V ≈ 0.18m3。1）
3.4 实际试验（自然阳光下）
图 4 使用固封极柱磁断路器
将试验品放置在直射阳光下进行气体膨胀试验。1）试 验环境。将气箱放置屋顶，设温度从 18℃增至 30℃时，气 箱表面温度 55℃。2）试验结果。早上 7:30 气箱为常压力， 在气箱充气嘴上套上气球，中午时刻温度 30℃，气箱表面 温度为 55℃，实测气球为 270mm。高 308mm，大约为 18L。
4.1 本文防水透气装置的特点
加强了防水透气膜的保护 ；降低了透气率，延长了气箱 内、外的气压平衡的时间，避免箱内因气温变化过快而出现 凝露 ；毛毡起到了第一层的防水作用，即毛毡的密度较大， 缔结水的大分子团在水表面张力的作用下，在毛毡表面形成 水珠，从而形成了第一道防水层 ；本文防水透气装置还增加