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

關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼：A

在“雙碳”目標(biāo)下，由于SF6氣體是溫室氣體，一定質(zhì)量的SF6氣體的相當(dāng)于3.5萬倍的碳，因此研制無SF6氣體的開關(guān)設(shè)備已迫在眉睫。常壓密封開關(guān)設(shè)備是采用純空氣絕緣的高壓開關(guān)，是新一代環(huán)保型開關(guān)產(chǎn)品。該開關(guān)柜要求內(nèi)、外氣壓差為零（保持通氣），又不能讓水氣、塵埃進(jìn)入開關(guān)柜，確保開關(guān)柜不發(fā)生凝露、閃絡(luò)現(xiàn)象。針對空氣中水和氣如何可靠隔離這個技術(shù)難點，本文通過研究防水透氣的關(guān)鍵技術(shù)，對目前存在的問題提出相應(yīng)的解決措施，研制出專用的防水透氣裝置。并通過試驗數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)設(shè)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(nèi)、外不透氣方式的采用

進(jìn)行生產(chǎn)加工時，確保氣箱內(nèi)、外的氣壓相同，但氣箱內(nèi)并沒有做到與外部通氣，沒有采用防水透氣相關(guān)技術(shù)，產(chǎn)品只能確保在生產(chǎn)制造過程中氣壓相等，如果產(chǎn)品在不同的海拔投運，就會造成箱內(nèi)、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(shù)做得不到位、變形等因素，會造成氣箱漏氣，影響產(chǎn)品安全可靠運行。

1.2 防水、透氣技術(shù)缺陷

不少廠家對空氣中水各氣分離技術(shù)缺乏深入研究和對該技術(shù)解決措施的成本投入，對于防水、透氣這個技術(shù)難題，僅采用簡單的單層隔離技術(shù)措施，例如采用石棉材料、化學(xué)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(chǎn)品實際投運一段后時間后，氣箱內(nèi)部就會產(chǎn)生凝露，影響氣壓內(nèi)部電氣絕緣，尤其是在環(huán)境較差的場合，很容易出現(xiàn)開關(guān)設(shè)備絕緣擊穿故障，影響設(shè)備的安全運行。

2 市場上的2種典型產(chǎn)品防水、防凝露技術(shù)分析

2.1 以廠家（一）為代表的常壓密封技術(shù)

斷路器主回路是在ABB充氣柜的基礎(chǔ)上進(jìn)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(dǎo)水板，并在適當(dāng)位置開有流水口；開關(guān)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(shù)是提高防護(hù)等級，當(dāng)凝露積水后，水滴不滴在帶電設(shè)備上，采用疏導(dǎo)的辦法把水放掉，但產(chǎn)品在設(shè)計上并沒有滿足解決防水的技術(shù)要求。

2.2 以廠家（二）為代表的常壓密封技術(shù)

采用永磁機構(gòu)型斷路器（如圖4所示）；隔離部分在ABB充氣柜負(fù)荷開關(guān)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(guān)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(dǎo)水板，并在適當(dāng)位置開有水導(dǎo)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(jìn)入氣箱內(nèi)部，但不能阻斷水氣進(jìn)入氣箱內(nèi)部。水氣進(jìn)入氣箱的濃度達(dá)到一定值后，當(dāng)濕度＞85%時，氣箱內(nèi)會產(chǎn)生凝露，影響設(shè)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(guān)氣箱進(jìn)行真實試驗，以獲得有效的技術(shù)參數(shù)，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(guān)系，并用理想氣體方程式進(jìn)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(zhì)的量（mol）；T為理想氣體的熱力學(xué)溫度（K）；R為理想氣體常數(shù)（J/mol/K）；R為8.314。

3.1 實例計算

一個標(biāo)準(zhǔn)環(huán)網(wǎng)柜氣箱（單間隔），體積V≈0.18m3。1）當(dāng)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(dāng)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(nèi)，溫度上限設(shè)定為60°，進(jìn)行氣體膨脹試驗。將氣箱放置在烘箱內(nèi)，溫度從14℃升至65℃。1）試驗結(jié)果：當(dāng)體積不變時，氣箱內(nèi)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(nèi)，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(jié)果。當(dāng)壓強不變時，氣球增大直徑為33cm，經(jīng)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(jìn)行氣體膨脹試驗。1）試驗環(huán)境。將氣箱放置屋頂，設(shè)溫度從18℃增至30℃時，氣箱表面溫度55℃。2）試驗結(jié)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(jié)論

當(dāng)環(huán)境溫度升至30°時，首先太陽下，氣箱內(nèi)的壓力約增0.02MPa，體積約增20L。其次夜晚時，氣箱內(nèi)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(nèi)，對照上面數(shù)據(jù)，約有176g水分。如果176g的水都霧化在設(shè)備上，足以引起嚴(yán)重的開關(guān)設(shè)備絕緣事故。

4 本文的常壓密封開關(guān)專用防水透氣裝置

氣體分子篩膜技術(shù)是一種常用的水氣分離技術(shù)。該技術(shù)利用特殊材料的膜對物質(zhì)進(jìn)行分離。膜是一種多孔材料，具有選擇性和通透性，可以根據(jù)不同物質(zhì)的分子大小、形狀和能溶解度的特點，實現(xiàn)對物質(zhì)的分離。在空氣中可以利用特殊材質(zhì)膜將空氣中的水分子隔離出來，防止進(jìn)入氣箱內(nèi)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(dǎo)電、不導(dǎo)熱且線膨脹系數(shù)大。開關(guān)是長壽命設(shè)備，需要使用30年以上，開關(guān)的配件也必須有相應(yīng)的使用年限。本文研制的防水透氣裝置，尺寸比市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品略大，孔經(jīng)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(jìn)口處還有一層不銹鋼網(wǎng)，把防水透氣膜保護(hù)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(hù)；降低了透氣率，延長了氣箱內(nèi)、外的氣壓平衡的時間，避免箱內(nèi)因氣溫變化過快而出現(xiàn)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(jié)水的大分子團(tuán)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(wǎng)，以保護(hù)毛氈和防水透氣膜，防水透氣裝置內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)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(rèn)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(jié)果，本文的防水透氣裝置能夠確保氣箱內(nèi)、外相通，氣壓相等。4）由于氣箱自然呼吸時間太長，因此當(dāng)真空泵抽至負(fù)壓時進(jìn)行模擬。在離氣箱1m遠(yuǎn)處放置加濕器，將氣箱置于濕氣環(huán)境中，觀察水分能否進(jìn)入氣箱。

試驗設(shè)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(cè)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(shè)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(dāng)于氣箱在正常環(huán)境下4年的呼吸量。

試驗結(jié)果如下：對照上面數(shù)據(jù)，實測氣箱濕度，根據(jù)氣箱尺寸并通過理論計算氣箱內(nèi)僅有4.6g水分，通過氣箱觀察窗可較清楚地看到氣箱內(nèi)干燥無水氣、凝露等現(xiàn)象。

4.2.2 防水透氣裝置在戶內(nèi)潮濕處試驗

將氣箱長時間放置戶內(nèi)潮濕處，觀察水分能否進(jìn)入氣箱。試驗結(jié)果顯示，放置在潮濕環(huán)境中一年，氣箱內(nèi)無水氣、凝露現(xiàn)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(jìn)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(shè)備處于電纜溝的工作環(huán)境。經(jīng)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(jìn)入。試驗結(jié)果顯示，近一年的時間內(nèi)氣箱內(nèi)潔凈無塵、無水氣。

5 結(jié)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(fù)壓下進(jìn)入水氣，在室內(nèi)、室外相對環(huán)境條件較差的場合，也可以確保氣箱內(nèi)水分、濕度在可控范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生凝露，能確保常壓密封開關(guān)設(shè)備長時間安全可靠運行。

目前，采用該技術(shù)的防水透氣裝置常壓密封空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品在多地項目中進(jìn)行試點運行，設(shè)備運行安全可靠，沒有出現(xiàn)由氣箱內(nèi)水氣、凝露等原因?qū)е碌慕^緣故障，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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