肖 峰，朱 濤，楊歡紅，劉新超，李廣一，朱偉星

(1.上海奉賢燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海 201499；2.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

發(fā)電廠、直流換流站等電力樞紐泵類風(fēng)機(jī)設(shè)備保有量極大，在火電廠中，引風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、給水泵、磨煤機(jī)、各類循壞水泵、冷凝水泵等泵類風(fēng)機(jī)的能耗占到廠用電的70%～90%，為了節(jié)能減排，大量電廠的泵類風(fēng)機(jī)設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過(guò)變頻器的自動(dòng)控制代替閥門擋板節(jié)流控制，可大幅降低廠用電率、降低電廠煤耗水平[1]。大量案例表明，變頻器容易導(dǎo)致的問(wèn)題就是直流母線濾波電容的老化，其次就是變頻器的通風(fēng)散熱。如果變頻器所在屏柜散熱不佳，內(nèi)部積灰嚴(yán)重，就會(huì)導(dǎo)致變頻器功率模塊、光耦等運(yùn)行可靠性急劇下降，導(dǎo)致變頻器突發(fā)故障的發(fā)生[2-7]。因此，只有通過(guò)一定的技術(shù)手段，對(duì)變頻器直流母線濾波電容進(jìn)行定期檢測(cè)，定期更換老化的電容，同時(shí)優(yōu)化屏柜的冷卻性能，就能大幅提升變頻器的運(yùn)行可靠性。本文提出一種電廠輔機(jī)變頻器柜運(yùn)行可靠性的提升方案，可有效提升輔機(jī)變頻器柜的工作可靠性。

1 現(xiàn)有變頻器柜存在的問(wèn)題

1.1 變頻器柜的散熱問(wèn)題

1.1.1變頻器柜的散熱能力計(jì)算

變頻器運(yùn)行時(shí)都會(huì)有一定的熱量耗散。根據(jù)溫升的經(jīng)驗(yàn)公式，變頻器滿載時(shí)的最大散熱量取決于變頻器的型號(hào)、尺寸。變頻器安裝于不同地點(diǎn)具有不同的計(jì)算公式。

(1)變頻器安裝于密閉箱體。由于裝置散熱會(huì)使柜內(nèi)溫度升高，溫升值DT與柜內(nèi)設(shè)備總的功率損失及柜體的散熱面積相關(guān)，可估算如下[8-9]：

DT=總的功率損失/(5.5×柜體散熱面積)

功率損失是包含變頻器、進(jìn)/出線電抗器等其他熱源的總功率損失。變頻器功率損失ΔP可計(jì)算為

ΔP=Pc×(1-η)

(1)

式中Pc—變頻器額定功率；η—變頻器滿載運(yùn)行時(shí)效率。

通常情況下柜體主要散熱面主要是指柜頂、柜體側(cè)面、柜前。柜底和柜后門不能作為有效散熱面。 若一個(gè)獨(dú)立的變頻柜柜體尺寸為800 mm×600 mm×2 200 mm，其散熱面積為4.88 m2。若該柜只裝一臺(tái)變頻器，變頻器功率損失計(jì)算值300 W。則滿載運(yùn)行時(shí)該柜內(nèi)的溫升為

DT=300/(5.5×4.88)=11.18(℃)

(2)變頻器安裝于強(qiáng)制風(fēng)冷箱體。如果該箱體采用風(fēng)冷方式。則柜內(nèi)溫升DT可計(jì)算為

DT=(0.053×總的功率損失)/柜內(nèi)空氣流量

1.1.2變頻器柜散熱能力下降的原因

柜內(nèi)空氣流量對(duì)于溫升是絕對(duì)重要的因素。表1列出了某電廠新建一年時(shí)與投運(yùn)五年后同樣的動(dòng)力屏柜的內(nèi)部溫度變化(外部環(huán)境溫度均為25℃)，顯然大部分屏柜的內(nèi)部溫度都會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而略有提高，這與現(xiàn)有屏柜的散熱技術(shù)有直接關(guān)系。

由表1可知，變頻器柜內(nèi)的溫升提高幅度不大，但變頻器內(nèi)部元件、板卡的溫升會(huì)遠(yuǎn)高于內(nèi)部溫度的溫升，應(yīng)引起足夠重視。由于電廠變頻器控保板卡大都采用工業(yè)級(jí)元件，其軟硬件工況經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，元件本身老化導(dǎo)致的屏柜溫度升高可能性不大，通過(guò)對(duì)這些散熱特性逐年變差的屏柜的結(jié)構(gòu)分析，得出了導(dǎo)致屏柜溫度升高的最可能的原因。

表1 不同變頻器柜投運(yùn)前后內(nèi)部溫度對(duì)比 ℃

(1)屏柜濾塵功能設(shè)計(jì)欠妥?，F(xiàn)有發(fā)熱量較大的屏柜，無(wú)一例外采用儀表風(fēng)扇強(qiáng)制循環(huán)冷卻，通過(guò)屏內(nèi)外空氣交換進(jìn)行散熱。由于空氣交換時(shí)必然會(huì)將灰塵等雜物帶入屏柜內(nèi)部，時(shí)間久后濾塵網(wǎng)變臟或堵塞，空氣交換受阻，散熱效果就會(huì)變差。同時(shí)，電廠屏柜數(shù)量多，靠運(yùn)行人員來(lái)定期拆洗并不方便，部分屏柜的濾塵網(wǎng)運(yùn)行1個(gè)月就會(huì)嚴(yán)重積灰，可見(jiàn)現(xiàn)有屏柜濾塵功能的設(shè)計(jì)是存在問(wèn)題的。

(2)屏柜氣流交換不合理。電廠的變頻器柜，為了散熱效果好而多開(kāi)散熱孔，然而散熱孔多并不一定能達(dá)到很好的散熱效果。屏柜風(fēng)扇在頂部抽風(fēng)，而柜門上部下部開(kāi)了同樣多的散熱孔，中間又有多個(gè)機(jī)箱的阻隔，空氣從柜門上部的散熱孔進(jìn)入、從柜頂流出，下部的散熱孔由于氣阻大幾乎沒(méi)有進(jìn)風(fēng)，如果將發(fā)熱量較大的元件設(shè)計(jì)在下方，導(dǎo)致的隱患將更為嚴(yán)重。

(3)柜門安裝工藝不良。柜門安裝工藝差，表現(xiàn)在使用一段時(shí)間后柜門關(guān)不緊、鎖不住。柜門關(guān)不緊，導(dǎo)致空氣循環(huán)時(shí)外部灰塵直接進(jìn)入屏柜內(nèi)部，吸附在變頻器內(nèi)部元件表面，進(jìn)一步惡化了散熱效果。柜門一旦關(guān)不緊，外界灰塵就會(huì)大量積攢到板卡表面，不但影響散熱，灰塵中含有金屬性粉塵，會(huì)引起主控板的局部短路，關(guān)不緊的柜門也因?yàn)楣耖T漏風(fēng)而使部分區(qū)域空氣流動(dòng)不足得不到充分的冷卻。

1.2 變頻器內(nèi)部濾波電容老化問(wèn)題

變頻器中大電量電解電容老化是導(dǎo)致變頻器故障的一個(gè)常見(jiàn)的原因[10]，由于電解電容本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后性能老化是必然的趨勢(shì)，變頻器內(nèi)部濾波電容必須采用電解電容。電解電容高頻損耗很大，在高頻電流作用下會(huì)發(fā)熱以致老化干枯。電解電容不是突然損壞的，而是逐步老化，這就導(dǎo)致了電源模塊的濾波效果會(huì)逐年降低、內(nèi)部直流母線的紋波會(huì)逐年增大。當(dāng)濾波效果降低到一定程度后，變頻器帶負(fù)載能力顯著下降、抗電源擾動(dòng)能力下降，還會(huì)產(chǎn)生程序出錯(cuò)跑飛突發(fā)死機(jī)停機(jī)等故障?，F(xiàn)有技術(shù)無(wú)論是離線還是在線，都不能對(duì)變頻器濾波電容老化進(jìn)行檢測(cè)，使電解電容老化導(dǎo)致的隱患始終懸而未決。

電解電容的老化與紋波電流、溫度均有較大關(guān)系，變頻器本身是高發(fā)熱設(shè)備，內(nèi)部溫度經(jīng)常高達(dá)60℃以上，紋波電流因?yàn)镻WM調(diào)制需要，又常常超過(guò)電容能承受的極限，使變頻器的性能逐步下降，直至無(wú)法運(yùn)行。

1.2.1電容老化快對(duì)變頻器輸出性能的影響

濾波電解電容老化后，隨著電容的容量減小，輕者表現(xiàn)為帶負(fù)載能力差，負(fù)載加重時(shí)往往跳直流回路欠電壓故障，電容的進(jìn)一步損壞，還有可能使直流回路電壓波蕩，造成逆變模塊的損壞。此類故障往往較為隱蔽，不像元件短路容易引人重視，檢查起來(lái)有時(shí)也頗費(fèi)周折，尤其是大功率變頻器中的電容，運(yùn)行多年后，其引出電極常年累月經(jīng)受數(shù)千赫茲的大電流充、放電沖擊，出現(xiàn)不同程度的氧化現(xiàn)象，用電容表測(cè)量，容量正常；用萬(wàn)用表測(cè)量，也常有充、放電現(xiàn)象，反向漏電流阻值也在容許范圍內(nèi)，但接在電路中，則因充、放電內(nèi)阻增大，相當(dāng)于電容充、放電回路串接了一定阻值的電阻。電容的瞬態(tài)充、放電電流值大為降低，實(shí)質(zhì)上電容的儲(chǔ)電能力下降，使“動(dòng)態(tài)電容量”嚴(yán)重減小，致使直流回路電壓跌落，變頻器轉(zhuǎn)速提升與出力提升都受到影響，另外濾波電容濾波效果的下降還直接導(dǎo)致內(nèi)部功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的暫態(tài)電流電壓無(wú)法得到電容的吸收，嚴(yán)重時(shí)會(huì)干擾自身主控板的運(yùn)行，導(dǎo)致突發(fā)新的死機(jī)重啟、報(bào)故障停機(jī)等故障。

1.2.2濾波電容老化對(duì)低電壓穿越能力的影響

發(fā)電廠變頻器對(duì)于電網(wǎng)低壓穿越有著較高的要求，變頻器對(duì)電源電壓波動(dòng)相對(duì)敏感，短暫的電壓波動(dòng)或瞬時(shí)失電就會(huì)引起變頻器停車重啟動(dòng)。對(duì)于電廠的重要輔機(jī)而言，泵類風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)停機(jī)重啟很可能造成管路氣液流量壓力波動(dòng)，從而產(chǎn)生事故隱患，同時(shí)對(duì)電機(jī)、變頻器自身的壽命也會(huì)造成影響。隨著電網(wǎng)建設(shè)的加強(qiáng)，在夏季惡劣氣候下輸電線路遭受雷擊的概率也增加，很多輸電線路由于補(bǔ)償能力的限制改為直接接地系統(tǒng)，這就使得電網(wǎng)整體雷擊跳閘率的大幅增加，夏季電網(wǎng)瞬間失電、電壓波動(dòng)等晃電現(xiàn)象頻發(fā)。

為了減少瞬時(shí)低壓對(duì)變頻器運(yùn)行的影響，實(shí)現(xiàn)一定的低壓穿越能力，通常加大了直流母線濾波電容的容量，使得變頻器在交流瞬時(shí)失電的時(shí)刻，通過(guò)濾波電容的電壓支撐，能維持0.1～0.5 s的運(yùn)行。顯然濾波電容老化后，有效容量減少、內(nèi)阻增加，對(duì)于低壓穿越的抵御能力顯著下降。

2 變頻器柜運(yùn)行可靠性提升方案

2.1 屏柜散熱技術(shù)的改進(jìn)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有變頻器柜散熱性能的分析，很明顯散熱不良的根源在于“里外空氣交換”的設(shè)計(jì)思路，如果不采用空氣交換對(duì)流來(lái)冷卻，則這三個(gè)問(wèn)題都將不復(fù)存在，內(nèi)部變頻器的散熱效果也將明顯提升。本文設(shè)計(jì)的新型屏柜熱傳導(dǎo)散熱裝置(如圖1所示)由兩個(gè)類似于CPU散熱器的“風(fēng)扇——散熱片”組合結(jié)合在一起構(gòu)成。風(fēng)扇1與散熱器1用于屏外部空氣循環(huán)，風(fēng)扇2與散熱器2用于屏內(nèi)部空氣循環(huán)，兩個(gè)散熱器的導(dǎo)熱平面緊扣在一起，當(dāng)兩個(gè)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就能將內(nèi)部空氣的熱量通過(guò)散熱器2傳至散熱器1，再通過(guò)風(fēng)扇1的循環(huán)作用帶到外部空氣中。

圖1 熱傳導(dǎo)散熱裝置平面圖

2.2 變頻器直流母線部分的改進(jìn)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有變頻器供電特點(diǎn)的分析，提出了一種在變頻器直流母線端子端并聯(lián)輔助濾波電路的方案，實(shí)踐證明能有效降低輸出紋波，并可在一定程度上提升低壓穿越能力。

2.2.1輔助濾波電路的設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)濾波，并且希望濾波電容儲(chǔ)存的電量能夠維持變頻器交流瞬時(shí)失電時(shí)刻的供電，就必須設(shè)置一個(gè)大容量的輔助濾波電容回路，電容器必須采用法拉電容。由于法拉電容內(nèi)阻稍大，濾除紋波效果不是很好，因此采用法拉電容與電解電容C3并聯(lián)的方法，就能起到加強(qiáng)濾波與維持供電的雙重效果，輔助濾波電路如圖2所示。另一方面，大容量的電容器組并聯(lián)在變頻器直流母線端子上，上電瞬間會(huì)有很大的充電涌流，可能導(dǎo)致變頻器內(nèi)部的充電限流電阻過(guò)載，為此又設(shè)計(jì)了一個(gè)電阻R、小電容C2與二極管D并聯(lián)的涌流抑制電路，串聯(lián)在電容器組上，這樣上電瞬間的法拉電容C1的涌流就能被電阻R限制住，而放電過(guò)程通過(guò)二極管D，放電電流不受影響；電容C2用于流通高頻分量，達(dá)到濾除高次紋波的作用。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)還在于，當(dāng)法拉電容C1或電解電容C3萬(wàn)一擊穿，由于電阻R與電容C2的限流作用，短路電流很小，不會(huì)引起變頻器的短路保護(hù)動(dòng)作，該濾波電路體積不大，只需要并聯(lián)在變頻器直流母線端子上，大部分場(chǎng)合安裝比較方便。

2.2.2電源紋波檢測(cè)表的設(shè)計(jì)

即使外部加裝了輔助濾波電路，電解電容老化的趨勢(shì)仍舊不可逆轉(zhuǎn)，需要有一個(gè)檢測(cè)紋波電壓的表計(jì)，定期檢測(cè)變頻器直流母線的輸出紋波大小，才能從根本上杜絕電容老化問(wèn)題引起的隱患。紋波檢測(cè)表本質(zhì)上是測(cè)量直流電壓中的交流分量，因此只要采用一隔直元件，去除直流分量，再通過(guò)一交流毫伏表，就能測(cè)出紋波電壓的大小。

表3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 V

所設(shè)計(jì)的檢測(cè)表電路通過(guò)電容器C1隔離直流分量，通過(guò)電阻R泄放電容器C1的電導(dǎo)電流，測(cè)得R兩端電壓就是實(shí)際的紋波電壓。為了防止表計(jì)接入瞬間電容器充電的沖擊電流損壞交流毫伏表，在電阻R兩端又并聯(lián)了穩(wěn)壓二極管D以保護(hù)毫伏表，電路如圖3所示。

圖2 輔助濾波電路

圖3 檢測(cè)表電路

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 散熱技術(shù)的改進(jìn)方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證散熱技術(shù)的改進(jìn)方案的效果，在一退役二次屏柜內(nèi)部加上一個(gè)400 W電爐加熱，通過(guò)測(cè)量電爐加熱后不同時(shí)間的內(nèi)部空氣溫度，來(lái)驗(yàn)證該方案的散熱效果，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，環(huán)境溫度約為25℃。

表2 加熱不同時(shí)間柜內(nèi)的溫度 ℃

散熱器運(yùn)行后，屏柜的溫升從23℃降低到9℃，可見(jiàn)散熱效果比較明顯。從根本上說(shuō)，該方案將傳統(tǒng)思路的空氣交換對(duì)流冷卻改成了空氣循環(huán)——熱傳導(dǎo)冷卻，將外部、內(nèi)部空氣分開(kāi)循環(huán)，使內(nèi)部熱量能帶出來(lái)，里外空氣卻不參與循環(huán)。為此，本方案再也不需要濾塵網(wǎng)，也不再需要考慮氣流交換是否合理，柜門關(guān)不嚴(yán)對(duì)本方案影響也變得很有限，從根本上解決了由于濾網(wǎng)設(shè)計(jì)欠妥、氣流交換不合理、柜門安裝工藝不良所導(dǎo)致的散熱障礙，有效地提高了變頻器柜工作的可靠性。

3.2 直流母線部分的改進(jìn)方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證直流母線部分的改進(jìn)方案的濾波與抵御瞬時(shí)失電性能，隨機(jī)選擇了2個(gè)小功率低壓變頻器，測(cè)試了并聯(lián)輔助濾波電路前后的紋波電壓大小。

另外還通過(guò)測(cè)試失電后0.5～2.0 s后輸出端電壓的大小，判斷其抵御瞬時(shí)失電的性能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表3所示，其中法拉電容C1為4.7 F，電容C2為2 200 uF的低ESR電解電容。

查看試驗(yàn)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)輔助濾波電路能降低滿載時(shí)紋波電壓約50%，當(dāng)變頻器失電0.5 s后，直流母線仍有約90%電壓。此時(shí)變頻器幾乎可在不降低出力的情況下維持運(yùn)行，而無(wú)輔助濾波電路的0.1 s后就可能降出力重啟，輔助濾波電路不但降低了直流母線濾波電容的紋波電流，延長(zhǎng)了壽命，還大幅提升了變頻器的低壓穿越能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型空氣熱傳導(dǎo)屏柜散熱方案，以及裝設(shè)輔助濾波電路的方案，試驗(yàn)證明這些手段能有效提高現(xiàn)有變頻器柜的供電與散熱性能，從而提高了變頻器柜內(nèi)部元件、板卡的工作可靠性，降低了輔機(jī)事故引發(fā)的跳閘概率。