【關鍵詞】35 kV及以下成套開關設備；環(huán)境適應性；溫度影響；濕度影響

引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應用環(huán)境的日益復雜，35 kV及以下成套開關設備在各種環(huán)境條件下的可靠性和穩(wěn)定性成為重要關注點。這類設備在不同溫度、濕度、電磁干擾和腐蝕性環(huán)境中運行，其環(huán)境適應性直接影響到電力系統(tǒng)的安全和可靠性。因此，對35 kV及以下成套開關設備的環(huán)境適應性進行研究具有重要意義。本研究旨在系統(tǒng)分析環(huán)境因素對開關設備性能的影響，探索相應的設計與測試方法，為設備的改進和優(yōu)化提供理論支持和實際指導。

一、35 kV及以下開關設備的應用

35 kV及以下成套開關設備廣泛應用于電力配電系統(tǒng)、工業(yè)企業(yè)及居民小區(qū)等多個領域。在城市配電網(wǎng)中，這些設備主要用于將高電壓電力轉換為合適的低壓電力，以供給最終用戶，從而保證城市的電力供應穩(wěn)定性和可靠性。在工業(yè)企業(yè)中，35 kV及以下開關設備被用于控制和保護生產過程中的電力系統(tǒng)，確保生產設備的正常運行并減少電力故障對生產造成的影響。在居民小區(qū)，這些設備保證家庭用戶能夠獲得安全、穩(wěn)定的電力供應，并提供必要的保護以應對電力故障。每個應用領域對設備的性能要求和環(huán)境適應性都有不同的標準，因此在實際應用中，需要根據(jù)具體需求，選擇和配置合適的成套開關設備。

環(huán)境適應性是指在不同環(huán)境條件下，成套開關設備能夠保持正常功能和性能的能力。由于這些設備在實際應用中經(jīng)常面臨溫度變化、濕度波動、電磁干擾以及腐蝕性環(huán)境等多種環(huán)境因素的影響，因此對于35 kV及以下成套開關設備而言，環(huán)境適應性顯得尤為重要。設備的環(huán)境適應性不僅對其長期穩(wěn)定性、可靠性有直接影響，而且與電力系統(tǒng)的總體安全運行狀況也具有十分重要的關系[1]。良好的環(huán)境適應性能保證設備在復雜的環(huán)境條件下持續(xù)穩(wěn)定地運轉，避免設備因環(huán)境因素而發(fā)生故障或性能下降。因此，設計人員應選用耐高溫或耐低溫材料、進行防潮處理、增強電磁兼容性等，增強設備在不同環(huán)境條件下的可靠性和穩(wěn)定性，以提高設備的環(huán)境適應能力；設計時還應綜合考慮各種環(huán)境因素，有針對性地采取措施。

二、環(huán)境因素對35 kV及以下成套開關設備的影響及改進措施

（一）溫度對開關設備性能的影響及改進措施

溫度對35 kV及以下成套開關設備的性能具有顯著影響。高溫環(huán)境會導致設備內部材料的熱膨脹，可能引起絕緣材料的老化、導體的熱失效以及機械結構的變形。絕緣材料在高溫下的性能下降可能導致絕緣強度降低，從而增加設備的故障風險。另一方面，低溫環(huán)境會導致材料的脆性增加，特別是在極低溫度下，某些材料可能出現(xiàn)裂紋，影響設備的機械性能和絕緣能力。溫度變化還會影響設備的潤滑系統(tǒng)，增加機械部件的磨損。具體改進措施如下。

1.選用耐高溫材料

（1）具體材料種類

高溫環(huán)境建議選用如環(huán)氧樹脂絕緣子、碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate，DMC）材料等絕緣材料，這些材料在高溫下具有優(yōu)異的絕緣性能和抗老化特性。

（2）應用范圍及使用效果

環(huán)氧樹脂絕緣子被廣泛應用于變電站和開關設備中，具有耐高溫、機械強度高的特點。DMC材料的母線夾適用于母線接觸區(qū)域，能夠有效減少熱膨脹引起的接觸不良現(xiàn)象。

（3）經(jīng)濟性對比及推薦

相比傳統(tǒng)材料，環(huán)氧樹脂和DMC材料的初始成本略高，但其在高溫環(huán)境下的壽命延長和故障率顯著降低，在全生命周期內具備更高的經(jīng)濟性。高溫環(huán)境下建議使用這些材料，以降低長期維護和設備更換的成本。

2.設計有效的散熱系統(tǒng)

（1）具體實施方法

設計人員可以在設備內部設計風道系統(tǒng)，結合風機實施強制風冷，或者通過液冷系統(tǒng)提升散熱效果；還可以在特定高溫區(qū)域內增設空調設備，以降低環(huán)境溫度，進一步提升設備的散熱效率。

（2）應用場景及效果

風道設計和風冷系統(tǒng)能滿足大多數(shù)電力設備的散熱要求，尤其是在溫度波動較大的環(huán)境中。液冷系統(tǒng)則適用于散熱要求極高的關鍵設備，如大功率整流及電能交換設備?？照{系統(tǒng)適用于環(huán)境溫度難以控制的場合，可通過區(qū)域內溫度調控，確保設備長期穩(wěn)定運行。

3.使用低溫韌性材料及其他輔助措施

（1）具體材料種類及應用范疇

低溫環(huán)境推薦使用低溫韌性合金鋼、聚四氟乙烯等材料，這些材料在低溫條件下具有較高的沖擊韌性和耐疲勞性，適用于開關設備的關鍵結構件和連接部件。

（2）其他輔助措施

除了使用低溫韌性材料外，設計人員還可以增設復合絕緣型加熱設備，確保設備倉內溫度始終保持在－5℃以上，減少因低溫導致的設備隱患，確保設備在極寒環(huán)境中的穩(wěn)定運行。

（二）濕度對開關設備的影響及改進措施

濕度是影響35 kV及以下成套開關設備性能的另一個重要因素。高濕度環(huán)境會導致設備內部積聚水分，影響絕緣材料的性能。絕緣材料在潮濕環(huán)境下容易吸濕，降低電氣絕緣強度，從而增加漏電流和絕緣故障的風險。濕度的增加也會促進設備內部金屬部件的腐蝕，導致接觸不良和電阻增大，從而影響設備的正常操作和安全性。長期的高濕環(huán)境還可能導致設備內部形成霉菌或其他生物污染，進一步影響設備的功能。具體改進措施如下。

1.防水密封設計

（1）防護等級提高到IP44級以上

設計人員可在設備外殼和接縫處增加防水密封設計，使設備的防護等級達到IP44級或更高。這意味著設備不僅能夠防止水滴和噴濺進入，還能夠防止直徑大于1 mm的固體異物進入，從而提供更全面的防護。

（2）對于需要風道實現(xiàn)內部散熱的設備增設IP44級風柵

這樣既保證設備內部的散熱效果，又避免水分和灰塵的進入，提升設備的整體防護性能。

（3）絕緣材料進行防潮處理

設計人員可在設備內部放置能夠重復利用的變色硅膠干燥劑，這種干燥劑在吸濕后會變色，提示用戶需要更換或處理。干燥劑可以回收并通過加熱風干后再次使用，從而降低使用成本，同時有效控制設備內部濕度，防止絕緣材料因吸濕而性能下降。

2.使用防腐蝕材料

高濕環(huán)境建議選用防腐蝕性能良好的材料，如不銹鋼、覆鋁鋅板材等。不銹鋼具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，尤其在鹽霧等腐蝕性環(huán)境下，能顯著延長設備的使用壽命。覆鋁鋅板材則通過在鋼板表面覆上鋁鋅合金層，提供額外的防護，減少氧化和腐蝕。此外，在金屬表面噴涂防腐蝕涂層，如環(huán)氧樹脂涂層或粉末，可進一步增強防腐蝕效果。

（三）電磁干擾對開關設備的影響及改進措施

電磁干擾對35 kV及以下成套開關設備的性能影響也不可忽視。電磁干擾可以來源于設備自身的電氣活動，也可以來自外部環(huán)境中的各種電子設備。電磁干擾會引起設備的信號干擾，導致控制系統(tǒng)誤動作或數(shù)據(jù)傳輸錯誤，從而影響設備的正常運行和控制精度。尤其是在高頻干擾環(huán)境下，設備的電氣組件可能受到影響，造成功能失效或故障。為減少電磁干擾對設備性能的影響，設計時需要考慮電磁兼容性，采用適當?shù)钠帘未胧┖蜑V波器。具體改進措施如下。

1.電磁屏蔽

在設備外殼和關鍵部件設置電磁屏蔽，可以減少外界電磁干擾的影響。

2.濾波器應用

為了有效過濾掉高頻干擾信號，設計人員可以在電路設計中合理配置濾波器。濾波器的應用通常集中在設備的二次控制部分，即設備的控制回路和信號處理部分。引入濾波器能夠大幅減少電磁干擾對設備控制系統(tǒng)的影響，確保信號的純凈性和設備的正常運行。常用的濾波器包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。低通濾波器可以有效阻擋高頻干擾信號，常用于電源線濾波和信號傳輸線中；帶通濾波器則用于精確濾除指定頻率范圍內的干擾信號，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.增強接地設計

這能優(yōu)化設備的接地系統(tǒng)，提高其抗電磁干擾的能力。

（四）腐蝕性環(huán)境對開關設備的影響及改進措施

腐蝕環(huán)境對35 kV及以下開關成套設備的影響主要體現(xiàn)在金屬部件腐蝕和絕緣材料降解等方面。設備的金屬部分在有腐蝕性的氣體或液體環(huán)境中，可能發(fā)生氧化、腐蝕或其他化學反應，造成金屬強度和導電性能下降。腐蝕性物質對絕緣材料也可能產生侵蝕作用，使其絕緣性能下降，從而增大設備漏電、失效的概率[2]。尤其是在工業(yè)環(huán)境或沿海地區(qū)，氯化物、硫化物等腐蝕性氣體的存在，會加快設備老化、破損的速度。具體改進措施如下。

1.區(qū)分材料種類與使用區(qū)域

不銹鋼：SUS304、SUS316等型號的不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，適用于開關設備的外殼、支架、螺栓等結構件，尤其在高鹽霧或腐蝕性氣體環(huán)境中表現(xiàn)出色。

鍍鋅板：鍍鋅板通過在鋼板表面鍍鋅，提供良好的抗腐蝕保護，適用于設備的外殼和內部結構支撐部分。

覆鋁鋅板：覆鋁鋅板結合了鋁和鋅的優(yōu)點，具有優(yōu)良的耐腐蝕性和熱反射性能，適用于設備外殼和關鍵結構件，特別是在沿海區(qū)域或需要長途海運的設備中。

絕緣材料：環(huán)氧樹脂材料因其優(yōu)異的絕緣性能和耐腐蝕性，廣泛應用于開關設備中的絕緣件，如絕緣子、母線夾等，確保其在惡劣環(huán)境下依然具有良好的電氣性能。

2.涂覆防腐蝕層

設備外殼需采用噴塑工藝來增強防腐性能，根據(jù)應用環(huán)境的不同，噴塑厚度應有所調整。一般情況下的塑粉厚度為60～80μm，適用于普通的工業(yè)環(huán)境和室內設備。如果設備用于沿海區(qū)域或長途海運，建議塑粉噴涂厚度增加至80～120μm，以增強設備在高鹽霧和潮濕環(huán)境下的耐腐蝕能力，確保其在運輸和使用過程中不受環(huán)境影響。

3.定期清潔保養(yǎng)

每3個月進行外殼和表面的基本檢查和清潔，檢查噴塑層是否有損傷，如有損壞，及時進行補漆處理。對設備外部的可見部分進行清潔，尤其是沿海區(qū)域，應使用防腐蝕劑進行表面處理。

每6個月進行內部組件的檢查和維護，包括對絕緣件的清潔，建議使用酒精擦拭絕緣件表面，以去除灰塵和濕氣。檢查一、二次接插件的接觸狀態(tài)，并在必要時涂覆凡士林，以防止氧化和腐蝕。

每12個月進行全面的維護保養(yǎng)，對所有金屬結構件，特別是在高濕和鹽霧環(huán)境下運行的設備進行腐蝕檢查；檢查并清潔設備的散熱系統(tǒng)和風道，確保其通風良好；同時進行設備整體性能的測試和驗證。

4.預防和去除腐蝕性物質

（1）外殼損傷修復

如果發(fā)現(xiàn)設備外殼有損傷或掉漆現(xiàn)象，工作人員應立即進行補漆處理，使用與原有涂層相同類型的防腐蝕涂料，確保防護效果的連續(xù)性。

（2）設備內部保養(yǎng)

在清潔保養(yǎng)時，絕緣件可用酒精擦拭，去除可能的污染物和濕氣，保持其良好的絕緣性能；對于連接部位，定期涂覆凡士林，以防止金屬接觸件的氧化和腐蝕。

（3）環(huán)境監(jiān)控與調節(jié)

設備運行環(huán)境應安裝濕度和鹽霧濃度傳感器，以實時監(jiān)測環(huán)境條件，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，調整保養(yǎng)頻率和措施，最大程度減少腐蝕性物質對設備的影響；采取使用耐腐蝕材料、涂覆防腐蝕層、定期對設備進行清潔保養(yǎng)等防腐蝕措施，保證設備在腐蝕環(huán)境下能長期穩(wěn)定運行。實施上述措施，在惡劣的環(huán)境中，設備的使用壽命可得到有效延長，可靠性也會提高。

35 kV及以下開關成套設備的環(huán)境因素對其性能的影響如表1所示。

表1中的數(shù)據(jù)源自電磁干擾測試，該測試遵循IEC 61000標準，并綜合考慮了實際使用環(huán)境的情況。

三、環(huán)境適應性設計與測試方法

（一）環(huán)境適應性設計的基本原則

要保證在不同環(huán)境條件下35 kV及以下開關設備的成套穩(wěn)定運行，環(huán)境適應性設計是關鍵。設計人員需要先對設備使用的特定環(huán)境有充分的了解，掌握溫度、濕度、電磁干擾和腐蝕性等多種因素，根據(jù)這些環(huán)境條件選擇合適的材料和結構方案：例如，對于高溫環(huán)境，為防止設備因過熱而失效，必須選用具有高熱穩(wěn)定性的保溫材料，并設計有效的散熱系統(tǒng)；在潮濕的環(huán)境下，為保持設備的絕緣性能，防止內部機件腐蝕，設計時應包括防水密封和防潮處理兩個方面。電磁兼容性設計時，為了減少電磁干擾對設備功能的影響，應考慮應用電磁屏蔽和濾波器；在腐蝕性環(huán)境下，為延長設備的使用壽命，保持設備正常運作，可以選用耐腐蝕材料和防護涂層。為了確保設計方案的有效性和可行性，設計人員不僅要具備豐富的環(huán)境科學知識，還需要深入了解設備的運行機制以及可能面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)。

（二）溫濕度試驗方法與標準

為了模擬實際使用環(huán)境，設計人員必須進行溫濕度試驗，以評價35 kV及以下成套開關設備在不同溫度和濕度條件下的穩(wěn)定性和可靠性。這些試驗一般包括高溫試驗，低溫試驗，以及濕熱試驗等[3]。高溫試驗通過模擬不同的極端條件，要求設備在規(guī)定的高溫環(huán)境下運行一定的時間，以檢測其耐熱性和散熱能力；低溫試驗在低溫環(huán)境下進行，以考核設備的低溫性能和材料的脆性變化；濕熱試驗則模擬高濕度和高溫條件，以測試設備在潮濕環(huán)境中的絕緣性能和抗腐蝕性。

（三）電磁兼容性測試方法

為保證35 kV及以下成套開關設備在電磁環(huán)境下正常運行，電磁兼容性測試是重要環(huán)節(jié)。電磁兼容性測試包括兩個方面：電磁干擾測試和電磁抗干擾測試。電磁干擾測試是為了避免對其他設備造成干擾，評估設備在運行過程中產生的電磁干擾是否達到相關標準。電磁抗干擾測試是測試設備在電磁干擾環(huán)境下運行時，對外界電磁干擾的抗干擾能力。測試通常采用開閉場測試方法，其中開場測試用來測量設備在開機狀態(tài)下產生的輻射干擾，而閉場測試用來測量設備在靜止狀態(tài)下對外界電磁場產生的抗干擾能力。IEC61000系列國際標準提供了包括IEC61000-4-2（靜電放電抗擾度測試）、IEC61000-4-3（射頻電磁場輻射抗擾度測試）在內的詳細的測試方法和要求。

（四）腐蝕測試與防護措施

35 kV及以下成套開關設備的金屬構件及絕緣材料在腐蝕環(huán)境中易發(fā)生腐蝕，從而使設備壽命及使用性能受到影響，所以，進行腐蝕試驗并采取有效的保護措施是非常重要的步驟。腐蝕性檢測包括鹽霧檢測、濕熱檢測、化學腐蝕性檢測等[4]。鹽霧測試主要模擬設備抗鹽霧腐蝕的能力，評估設備在海洋或高鹽環(huán)境中的腐蝕情況；濕熱測試模擬設備在濕度較大、溫度較高的環(huán)境中發(fā)生銹蝕的難易程度；化學腐蝕測試則在特定的化學環(huán)境下，對設備的耐腐蝕能力進行測試[5]。

四、案例分析

（一）案例分析

35 kV及以下開關成套設備在實際應用中往往面臨著極端環(huán)境狀況的挑戰(zhàn)。如在某沿海城市配電系統(tǒng)中，設備需要適應存在鹽霧腐蝕的高溫、高濕、環(huán)境。某年經(jīng)過資料收集和分析后發(fā)現(xiàn)，設備的絕緣材料在高溫高濕環(huán)境下出現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象。具體而言，設備內部絕緣電阻降低了30%左右，顯著增加了安全操作的風險；同時設備外殼金屬部件在鹽霧環(huán)境下腐蝕嚴重，腐蝕速度達到1.5mm/年，對結構強度和機械性能造成影響。

（二）環(huán)境適應性改進措施的實施效果

項目所在地：某南方沿海城市機場。

項目所在地特點：位于低緯度熱帶邊緣，為熱帶海洋性季風氣候（春季少雨干旱，夏季高溫多雨、秋濕潤且多臺風）。

設備安裝位置：10/0.4 kV變電站。

主要設備類型：10 kV中壓柜、0.4 kV低壓柜、干式變壓器（630 kVA-10/0.4 kV）；

主要解決方案：

1.冷軋鋼板外殼噴塑。塑粉類型：熱固性粉末涂料（ RAL-7035戶外型），噴塑涂層厚度100～120μm.

2.柜內框架及安裝梁（板）采用多層折邊的覆鋁鋅板及鋁板，且殼體的其他金屬部件及所有板材切口處均涂覆防鹽霧漆。

3.內部絕緣件采用環(huán)氧樹脂材料，柜內零部件搭接螺栓采用日本進口的SUS304高強度不銹鋼。

4.柜內母線采用自催化鍍錫工藝（非電鍍），且加裝聚四氟乙烯材質的熱縮套管；設備內控制導線均采用接頭冷壓及搪錫工藝。

5.柜內配備自動溫濕度控制器和復合絕緣型加熱設備。

6.配電間內設置空調，以便針對運行環(huán)境進行降溫除濕。

在采用新型復合材料后，設備獲得了更高的耐熱、耐濕性能。絕緣電阻經(jīng)改進后降低到10%，顯著提高了設備安全性。在防腐蝕方面，該設備的金屬部件經(jīng)過了強化的防腐蝕處理，包括耐鹽霧涂層的應用。該措施使金屬部件的腐蝕速率降低至0.5 mm/年，相比未處理的設備，腐蝕程度降低了67%左右。通過板材的多層折邊結構搭建設備框架，加強了機械穩(wěn)定性。實施改進措施后，設備故障率降低40%，維護費用降低30%左右，運行可靠性顯著增強。環(huán)境適應性改進措施的實施效果如表2所示，其中的腐蝕速率數(shù)值來源于基于ISO 9227鹽霧測試標準的鹽霧測試結果和設備在實際應用中的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)。

結語

35 kV及以下開關成套設備在不同環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)與電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定有著直接的關系。本研究通過對溫度、濕度、電磁干擾、腐蝕性環(huán)境對設備影響的深入分析，提出了相應的改進策略。面對日益復雜的環(huán)境條件和持續(xù)發(fā)展的技術需求，未來需要進行更深入的研究：推廣綜合環(huán)境試驗，綜合多場景、多因素，模擬較為復雜的環(huán)境條件，考核設備在極端條件下的表現(xiàn)，以期全方位把握設備在各類環(huán)境中的整體性能數(shù)據(jù)；開展新型納米材料與智能自修復材料應用研究，增強設備抗極端環(huán)境能力及自我修復機制；結合最新科研成果和實際需要來更新和完善設計標準，使設計更具前瞻性。