風電機組電控柜防凝露控制方案

文 | 衛子榕，譚鳳軍

國內常規電力系統采用防凝露控制已有十幾年的歷史，尤其在電力系統的高壓設備運行中起到了積極作用，各類除濕器、溫控器等產品種類也非常豐富，但是當前流行的自動防凝露控制器，在南方近海區域風電機組電控柜上使用效果并不理想。在目前北方各大風電場運行過程中，風電機組控制柜、變頻器及變槳控制器控制柜等電控柜對防潮、抗凝露要求并不明顯，隨著內陸風電市場的迅速飽和，風電機組逐步向沿海、近海型發展，電控柜潮濕、凝露問題逐步凸顯。根據本公司在近海區域風電機組的運行經驗，凝露導致很多電子部件，尤其是配套電氣設備中的電路板及開關組件損壞，產生較高的更換及維護費用，并造成一定的停機損失，影響了整個機組的可利用率。根據近海區域的使用環境和風電機組的運行特點，本文提出了新的風電機組電控柜防凝露控制方案，旨在解決電控柜凝露損壞問題。

高濕環境對電氣設備的影響

環境濕度對電氣設備的安全運行有很大影響，電氣工程中相對濕度大于80%時，稱為高濕，相對濕度小于40%，稱為低濕或干燥。濕度對電氣設備的影響主要是絕緣強度、霉菌生長、金屬腐蝕。

一、影響設備的絕緣強度

凝露會使電氣設備的絕緣電阻降低，設備的泄漏電流大大增加，造成絕緣擊穿，開關設備內部發生凝露引起爬電、閃絡事故，產生電氣故障。

二、利于霉菌生長

溫度為25℃－30℃，相對濕度為75%－95%時，適合霉菌繁殖。當菌絲積累較多時，產品絕緣性能大大降低。而且霉菌在代謝的過程中，往往會分泌出酸性物質，使導電金屬和電接觸材料產生一層晦暗膜，導致接觸電阻增大。特別對電子儀器的印刷電路板，如果長期處在這樣環境中會腐蝕電路，將降低儀器精度，或造成設備故障，甚至燒毀儀器。

三、腐蝕金屬

電氣設備中的導電金屬、導磁硅鋼片受到腐蝕后，將嚴重降低設備的性能和使用壽命。當相對濕度達到一定數值后，金屬的腐蝕會突然加快。在工程上，把這一濕度稱為臨界濕度。例如鋼的臨界濕度70%，鐵為63%，銅為60%。腐蝕致使金屬失去應有的性能。鋼鐵因腐蝕發生的性狀改變，就是平常說的“生銹”。

風電機組電控柜凝露形成分析

一、凝露形成與溫度的關系

所謂電控柜凝露現象是指柜體內壁及柜內元器件表面溫度下降到露點溫度以下時，柜體內壁表面及元器件會發生水珠凝結現象，這個現象稱之為凝露。在濕空氣焓濕圖（如圖1）中，某狀態下的未飽和空氣，在含濕量不變的情況下將其冷卻到飽和狀態(Φ=100%）時所對應的溫度，即為該狀態空氣的露點溫度。在圖1中A狀態下的濕空氣，降溫使空氣相對濕度達100%狀態時，t1溫度即露點溫度，出現凝露。根據此方法，可得出風電機組電控柜工作范圍內的露點溫度（見表1）。

圖1 濕空氣焓濕圖（h-d圖）

在高濕度條件和20℃左右時，也可利用如下公式計算：

表1 空氣露點溫度表

例如，在相對濕度為80%的條件下，當電控柜外部空氣溫度為20℃時，如果電控柜內器件表面溫度為16.4℃，即會在表面形成凝露。而在同樣溫度條件下，當相對濕度RH為最大100%時，露點溫度等于外部空氣溫度為20℃。

二、近海運行風電機組電控柜凝露原因

近海風電場空氣相對濕度經常達90%以上，在正常并網運行狀態下，電控柜內溫度通常要高于柜外溫度，一般不會形成凝露現象。但根據風電機組的實際運營狀況，經常會出現因電網原因、天氣原因、設備故障或日常保養等原因，而使風電機組處于斷電停運狀態，電控柜內小環境溫度比周圍環境溫度低，在其表面就極易形成凝露，在這種情況下，一旦送電投運，事故就隨之發生。

風電機組電控柜防凝露設計

一、常用防凝露控制原理（圖2）及特點

目前常規采用的電控柜防冷凝方案主要有溫度控制加熱方式和溫濕度綜合控制加熱方式。沿海風電場冬夏季環境溫度處于5℃－38℃之間，在不同相對濕度條件下，對應露點溫度則可在0℃－38℃之間所有點出現。如果采用溫度控制方式，要求設定一個固定溫度作為加熱控制點。加熱器啟動溫度過低則不能起到防凝作用，溫度設定過高，則會造成長時間加熱，經濟型較差。

使用溫濕度控制方式，要求設定一個固定溫度值和一個固定相對濕度值，當電控柜溫度或者相對濕度任何一個值超限，都啟動加熱器。使用這種控制方式有一個缺點，因為這種溫濕度控制器只能檢測電控柜內環境溫度，當柜外空氣溫度發生變化時，柜內凝露點溫度也會隨著改變，例如：同樣在相對濕度RH為 60% 的空氣條件下，當柜外空氣溫度為30℃時，露點溫度為21.4℃，而當柜外空氣溫度將為28℃時，露點溫度變為19.5℃，顯然一個固定設置的溫度控制值仍舊不能準確的控制柜內凝露現象。而南方海岸沿線風電場區域，年平均相對濕度80%以上，部分季節則達98%以上，當柜外氣溫比較低而空氣濕度又比較大時，靠濕度控制器控制并不經濟。

圖2 電控柜凝露控制原理

此外，市場還有一種凝露傳感器用于電控柜防凝露控制，這是一種被動型動作器件，即一定要在空氣中的水汽壓力飽和時，也就是在傳感器表面到達露點溫度，凝露發生時才會傳感器才回發信號，驅動加熱器工作。這種凝露傳感器必須在凝露發生后，然后才能啟動加熱器，而把防凝露作為一個電控柜反事故重要措施來說，并不安全。

由以上分析可以看出，從經濟性和可靠性綜合分析，當前流行的幾種電控柜防冷凝方案都不太令人滿意。

二、近海運行的風電機組電控柜防凝露控制方案

對照表1“空氣露點溫度表”，需要監測空氣相對濕度RH1，柜外空氣溫度T1，然后通過查表法即可得出露點溫度T3，此時通過加熱方式控制電控柜內溫度T2，并保持電控柜內溫度T2總高于露點溫度T3。這樣即可防止電控柜在任何相對濕度和溫度狀態下形成凝露，并通過T2溫度傳感器精確控制柜內加熱器運行，避免了長時間加熱造成的電能損耗。同時，為防止電控柜內溫度過高，在控制參數中設定最高溫度限值TMax，根據電控柜內設備一般要求，此溫度一般不大于40℃。

按此方案對于現有風電機組部分電控柜進改造，取得了明顯的效果。改造后的電器元件損壞率大大降低，實現電控柜防凝露控制。此方案不僅適用于風電機組正常運行期間的防凝露保護，而且在風電機組斷電重啟期也能起到保護作用。圖3和圖4分別為風電機組啟動和運行狀態下的凝露控制流程圖。

圖3 風電機組啟動狀態下的凝露控制流程

圖4 風電機組運行狀態下的凝露控制流程

結語

本論文所研究風電場處于海岸帶區域，應用環境濕度高，鹽霧重。實際應用效果說明，該控制方案對風電機組電控柜的防凝露效果明顯，對近海區域風電機組的安全穩定運行起到了很大作用。