溫濕度對(duì)風(fēng)電電氣產(chǎn)品性能的影響★

黃 虎

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

目前，電氣產(chǎn)品被大量應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，風(fēng)電電氣產(chǎn)品的絕緣性能是關(guān)系其是否安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。由于我國幅員遼闊，各地環(huán)境差異非常大，特別是溫度、濕度，而風(fēng)電電氣產(chǎn)品的絕緣性能對(duì)溫度、濕度的變化特別敏感，所以在產(chǎn)品的運(yùn)行過程中其絕緣性能極易受到環(huán)境因素的影響。而在對(duì)風(fēng)電電氣產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，不可能把所有條件模擬到，因此正確評(píng)估環(huán)境因素對(duì)風(fēng)電電氣產(chǎn)品的影響，對(duì)于產(chǎn)品的完善設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品的適應(yīng)能力和防護(hù)能力是非常必要的。

1 溫度和濕度的關(guān)系

在理想狀態(tài)下，濕度是隨著溫度的變化而變化的，當(dāng)環(huán)境溫度上升或加熱空氣使得溫度升高時(shí)，空氣吸收水分子的能力增強(qiáng)，當(dāng)無法人工增加空氣里的水分子含量時(shí)，環(huán)境相對(duì)濕度的降低將會(huì)使環(huán)境里物質(zhì)的水被空氣吸收從而變干。

空氣的相對(duì)濕度達(dá)到100%是指，在某一溫度下，空氣中的含水量達(dá)到飽和狀態(tài)。若空氣中已具有一定含水量，則相對(duì)濕度將隨著溫度的變化而呈現(xiàn)相反的上升和下降趨勢(shì)；當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%并進(jìn)一步降低空氣溫度，則冷凝水會(huì)從空氣中析出。

各溫度下單位體積空氣中飽和狀態(tài)下含水量如表1所示，溫度與飽和含水量關(guān)系如圖1所示。

表1 完全飽和狀態(tài)下空氣中的含水量

在日常生產(chǎn)工作中，我們對(duì)于不同溫度條件下的空氣含水量變化情況是不易感受到的，但它會(huì)從客觀上對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量差異和產(chǎn)品運(yùn)行造成影響。

因此，在風(fēng)電電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，要考慮整機(jī)內(nèi)部的溫度變化的規(guī)律：在溫度上升過程中，部件溫度變化率要大于空氣溫度變化率，溫度下降過程部件溫度變化率要小于空氣溫度變化率。

圖1 溫度與絕對(duì)濕度（飽和含水量）的關(guān)系

2 溫濕度對(duì)風(fēng)電電氣產(chǎn)品性能的直接影響

2.1 溫度對(duì)風(fēng)電電氣產(chǎn)品絕緣性能的影響

絕緣介質(zhì)的絕緣電阻隨溫度變化而變化，其變化幅度與絕緣介質(zhì)的種類相關(guān)，當(dāng)溫度上升時(shí)，絕緣電阻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

絕緣介質(zhì)因其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)原因，其含水量無法呈現(xiàn)規(guī)律性變化，所以關(guān)于絕緣電阻與溫度的換算公式，目前仍無固定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)巴申定律，氣體的擊穿電壓Ub與氣壓p和氣體間隙長度d的關(guān)系可表示為：

式中：γ是常數(shù)，工程上

在溫度恒定的條件下，Ub是氣壓和間隙長度乘積pd的函數(shù)，即

由圖2可見，在pd≈0.7 kPa·mm時(shí)擊穿電壓出現(xiàn)極小值，約0.45 kV。

鑒于氣溫變化的情況，可將擊穿電壓Ub公式改寫為：

式中：δ為氣體的相對(duì)密度，指氣體密度與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件（PS=101.3 kPa，TS=293 K）下密度之比，即

式中：P為擊穿試驗(yàn)時(shí)氣壓，kPa；T為擊穿試驗(yàn)時(shí)溫度，K。

圖2 空氣擊穿電壓與pd值的關(guān)系

實(shí)際產(chǎn)品中間隙一般d為常數(shù)，因此在很大范圍內(nèi)，擊穿電壓Ub可以看做是δ的增函數(shù)，即當(dāng)溫度T增加時(shí)，擊穿電壓Ub減少。

因此得出結(jié)論：在同一相對(duì)濕度下，溫度越高，擊穿電壓越小。

2.2 濕度對(duì)風(fēng)電電氣產(chǎn)品絕緣性能的影響

當(dāng)空氣絕對(duì)濕度即空氣中實(shí)際含水量增加時(shí)，若絕緣介質(zhì)表面產(chǎn)生凝露，則絕緣件沿面閃絡(luò)電壓會(huì)略微升高，若絕緣介質(zhì)表面未產(chǎn)生凝露，則絕緣件沿面閃絡(luò)電壓會(huì)大幅下降。這與凝露的產(chǎn)生、空氣相對(duì)濕度和介質(zhì)表面溫度有關(guān)。

一般情況下，絕緣介質(zhì)表面會(huì)在空氣相對(duì)濕度大于65%時(shí)附著水膜，且隨濕度的增加附著水膜增厚，以致形成導(dǎo)電水路并出現(xiàn)飛弧。

圖3表示清潔的環(huán)氧樹脂支柱絕緣子的交流閃絡(luò)電壓與空氣相對(duì)濕度的關(guān)系。由圖3可見：當(dāng)相對(duì)濕度在60%以下時(shí)，閃絡(luò)電壓隨相對(duì)濕度的增加略有提高，這在沿面放電距離為60 mm時(shí)尤為明顯。這是因?yàn)樵诃h(huán)境溫度恒定的情況下，相對(duì)濕度的提高即意味著絕對(duì)濕度的提高；但當(dāng)相對(duì)濕度超過60%時(shí)后，閃絡(luò)電壓明顯下降，其原因就在于介質(zhì)表面產(chǎn)生了凝露。

圖3 清潔的環(huán)氧樹脂支柱絕緣子的交流閃絡(luò)電壓與空氣相對(duì)濕度的關(guān)系

電場(chǎng)分析結(jié)果表明，隨著相對(duì)濕度的增加，宏觀上，表面電場(chǎng)分布趨于均勻，按閃絡(luò)電壓與電場(chǎng)分布的規(guī)律可以推斷，相對(duì)濕度的增加會(huì)引起閃絡(luò)電壓的增加。當(dāng)濕度達(dá)到60%時(shí)，由于絕緣表面的幾何起伏、憎水性以及水的表面張力等因素，使得絕緣表面電導(dǎo)不均勻，從而改變電場(chǎng)分布進(jìn)而影響閃絡(luò)電壓。根據(jù)某種絕緣板材質(zhì)的規(guī)格書可知，絕緣介質(zhì)在浸水24 h后，其絕緣電阻為原來的1/10。

空氣在同一絕對(duì)濕度下溫度越低相對(duì)濕度越高，因此結(jié)合前一推論可得：在同一環(huán)境中，同一相對(duì)濕度（60%以下）下，溫度越低，閃絡(luò)電壓越高；當(dāng)相對(duì)濕度大于60%時(shí)，閃絡(luò)電壓急劇下降。

3 溫濕度對(duì)電氣產(chǎn)品性能的間接影響

3.1 溫濕度變化下霉菌對(duì)風(fēng)電電氣產(chǎn)品性能的影響

霉菌孢子在潮濕的空氣中更易生長，特別是溫度為25～30℃、相對(duì)濕度為75%～95%的環(huán)境為其繁殖的良好條件，且密閉環(huán)境將加速霉菌生長。由于霉菌細(xì)胞含有大量水分，當(dāng)霉菌菌絲布滿絕緣介質(zhì)表面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品絕緣性能降低，同時(shí)影響設(shè)備的外觀和標(biāo)志，其代謝產(chǎn)生的酸性物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電材料表面形成一層晦暗膜，造成接觸電阻增大，長期如此將使得設(shè)備精度降低或產(chǎn)生故障甚至受損。

3.2 溫濕度、氧含量變化下金屬腐蝕對(duì)風(fēng)電電氣產(chǎn)品性能的影響

金屬腐蝕主要受溫度和濕度的影響，被腐蝕的導(dǎo)電金屬會(huì)影響風(fēng)電電氣產(chǎn)品的性能和壽命。

3.2.1 濕度對(duì)金屬腐蝕的影響

當(dāng)相對(duì)濕度增加到一定程度后，腐蝕速度會(huì)驟增，通常將該濕度稱為臨界濕度。鋼的臨界濕度為70%，鐵的臨界濕度為63%，銅的臨界濕度為60%。在臨界濕度以內(nèi)，金屬幾乎不受腐蝕，且與溫度無關(guān)。在臨界濕度以上且金屬已被腐蝕時(shí)，腐蝕速度隨溫度升高而提高。

3.2.2 溫度對(duì)金屬腐蝕的影響

金屬腐蝕受溫度的影響，主要體現(xiàn)于溫度驟降引發(fā)金屬表面凝露，從而導(dǎo)致加速腐蝕。如果在某些晝夜溫差大、潮濕多雨地帶或季節(jié)，金屬更加易被腐蝕。

3.2.3 氧含量對(duì)金屬腐蝕的影響

金屬腐蝕在空氣中主要受到水分和氧含量的影響，且須兩者皆備。由于金屬暴露于空氣中，表面所形成的水膜層非常薄，利于氧分子的滲透和溶解，導(dǎo)致氧分子能夠順利進(jìn)行去極化過程，形成金屬腐蝕條件。

3.2.4 本節(jié)小結(jié)

綜上所述，濕度和氧氣含量這兩個(gè)因數(shù)在金屬腐蝕中起著決定性作用；溫度影響著濕度和凝露的產(chǎn)生，從而影響金屬腐蝕。

4 結(jié)論

4.1 濕度對(duì)產(chǎn)品性能的主要影響（見表2）

表2 濕度對(duì)產(chǎn)品性能的主要影響一覽表

4.2 溫度對(duì)產(chǎn)品性能的主要影響（見表3）

表3 溫度對(duì)產(chǎn)品性能的主要影響一覽表

4.3 風(fēng)電產(chǎn)品絕緣材料的主要選取要素

1）絕緣電阻：所有絕緣材料的電阻值不得小于1.0×109Ω，絕緣電阻越大代表絕緣性能越好。

2）電氣強(qiáng)度：選取時(shí)不得小于1 000 V/mm，此值越大絕緣越好，對(duì)于中高壓設(shè)備在任何情況下絕緣材料厚度都必須≥0.2 mm，而對(duì)于低壓設(shè)備，如果絕緣材料厚度小于0.2 mm，必須用脈沖電壓和耐壓試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3）耐漏電起痕值數(shù)（PTI）：選取絕緣材料時(shí)，必須選取耐漏電起痕值數(shù)≥600 V的材料。

4）燃燒性：選取絕緣材料時(shí)，必須選取FV0或者94V-0的材料。

5）長期耐熱性溫度指數(shù)：選取絕緣材料時(shí)，必須選取長期耐熱性溫度指數(shù)≥120℃的材料。

在絕緣材料的制造和使用過程中，如果有機(jī)械應(yīng)力、彎曲或在制造過程中的損害，都必須滿足以上要求，否則會(huì)降低絕緣材料的各項(xiàng)指標(biāo)，將導(dǎo)致絕緣性能的下降甚至絕緣崩潰。