電廠輔機變頻器柜運行可靠性提升方案的研究

肖 峰，朱 濤，楊歡紅，劉新超，李廣一，朱偉星

(1.上海奉賢燃機發(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)機設(shè)備保有量極大，在火電廠中，引風(fēng)機、二次風(fēng)機、給水泵、磨煤機、各類循壞水泵、冷凝水泵等泵類風(fēng)機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)機設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過變頻器的自動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，就會導(dǎo)致變頻器功率模塊、光耦等運行可靠性急劇下降，導(dǎo)致變頻器突發(fā)故障的發(fā)生[2-7]。因此，只有通過一定的技術(shù)手段，對變頻器直流母線濾波電容進行定期檢測，定期更換老化的電容，同時優(yōu)化屏柜的冷卻性能，就能大幅提升變頻器的運行可靠性。本文提出一種電廠輔機變頻器柜運行可靠性的提升方案，可有效提升輔機變頻器柜的工作可靠性。

1 現(xiàn)有變頻器柜存在的問題

1.1 變頻器柜的散熱問題

1.1.1變頻器柜的散熱能力計算

變頻器運行時都會有一定的熱量耗散。根據(jù)溫升的經(jīng)驗公式，變頻器滿載時的最大散熱量取決于變頻器的型號、尺寸。變頻器安裝于不同地點具有不同的計算公式。

(1)變頻器安裝于密閉箱體。由于裝置散熱會使柜內(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/出線電抗器等其他熱源的總功率損失。變頻器功率損失ΔP可計算為

ΔP=Pc×(1-η)

(1)

式中Pc—變頻器額定功率；η—變頻器滿載運行時效率。

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。 若一個獨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。若該柜只裝一臺變頻器，變頻器功率損失計算值300 W。則滿載運行時該柜內(nèi)的溫升為

DT=300/(5.5×4.88)=11.18(℃)

(2)變頻器安裝于強制風(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)空氣流量對于溫升是絕對重要的因素。表1列出了某電廠新建一年時與投運五年后同樣的動力屏柜的內(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)部溫度都會隨著運行時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、板卡的溫升會遠高于內(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)級元件，其軟硬件工況經(jīng)過多次測試，元件本身老化導(dǎo)致的屏柜溫度升高可能性不大，通過對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 不同變頻器柜投運前后內(nèi)部溫度對比 ℃

(1)屏柜濾塵功能設(shè)計欠妥。現(xiàn)有發(fā)熱量較大的屏柜，無一例外采用儀表風(fēng)扇強制循環(huán)冷卻，通過屏內(nèi)外空氣交換進行散熱。由于空氣交換時必然會將灰塵等雜物帶入屏柜內(nèi)部，時間久后濾塵網(wǎng)變臟或堵塞，空氣交換受阻，散熱效果就會變差。同時，電廠屏柜數(shù)量多，靠運行人員來定期拆洗并不方便，部分屏柜的濾塵網(wǎng)運行1個月就會嚴(yán)重積灰，可見現(xiàn)有屏柜濾塵功能的設(shè)計是存在問題的。

(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散熱孔，然而散熱孔多并不一定能達到很好的散熱效果。屏柜風(fēng)扇在頂部抽風(fēng)，而柜門上部下部開了同樣多的散熱孔，中間又有多個機箱的阻隔，空氣從柜門上部的散熱孔進入、從柜頂流出，下部的散熱孔由于氣阻大幾乎沒有進風(fēng)，如果將發(fā)熱量較大的元件設(shè)計在下方，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)時外部灰塵直接進入屏柜內(nèi)部，吸附在變頻器內(nèi)部元件表面，進一步惡化了散熱效果。柜門一旦關(guān)不緊，外界灰塵就會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，會引起主控板的局部短路，關(guān)不緊的柜門也因為柜門漏風(fēng)而使部分區(qū)域空氣流動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常見的原因[10]，由于電解電容本身的結(jié)構(gòu)特點，連續(xù)運行一段時間后性能老化是必然的趨勢，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逐年降低、內(nèi)部直流母線的紋波會逐年增大。當(dāng)濾波效果降低到一定程度后，變頻器帶負載能力顯著下降、抗電源擾動能力下降，還會產(chǎn)生程序出錯跑飛突發(fā)死機停機等故障。現(xiàn)有技術(shù)無論是離線還是在線，都不能對變頻器濾波電容老化進行檢測，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60℃以上，紋波電流因為PWM調(diào)制需要，又常常超過電容能承受的極限，使變頻器的性能逐步下降，直至無法運行。

1.2.1電容老化快對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)為帶負載能力差，負載加重時往往跳直流回路欠電壓故障，電容的進一步損壞，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，檢查起來有時也頗費周折，尤其是大功率變頻器中的電容，運行多年后，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，用電容表測量，容量正常；用萬用表測量，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，實質(zhì)上電容的儲電能力下降，使“動態(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)部功率器件開關(guān)過程中的暫態(tài)電流電壓無法得到電容的吸收，嚴(yán)重時會干擾自身主控板的運行，導(dǎo)致突發(fā)新的死機重啟、報故障停機等故障。

1.2.2濾波電容老化對低電壓穿越能力的影響

發(fā)電廠變頻器對于電網(wǎng)低壓穿越有著較高的要求，變頻器對電源電壓波動相對敏感，短暫的電壓波動或瞬時失電就會引起變頻器停車重啟動。對于電廠的重要輔機而言，泵類風(fēng)機的瞬時停機重啟很可能造成管路氣液流量壓力波動，從而產(chǎn)生事故隱患，同時對電機、變頻器自身的壽命也會造成影響。隨著電網(wǎng)建設(shè)的加強，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、電壓波動等晃電現(xiàn)象頻發(fā)。

為了減少瞬時低壓對變頻器運行的影響，實現(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失電的時刻，通過濾波電容的電壓支撐，能維持0.1～0.5 s的運行。顯然濾波電容老化后，有效容量減少、內(nèi)阻增加，對于低壓穿越的抵御能力顯著下降。

2 變頻器柜運行可靠性提升方案

2.1 屏柜散熱技術(shù)的改進

通過對現(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)計思路，如果不采用空氣交換對流來冷卻，則這三個問題都將不復(fù)存在，內(nèi)部變頻器的散熱效果也將明顯提升。本文設(shè)計的新型屏柜熱傳導(dǎo)散熱裝置(如圖1所示)由兩個類似于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)，兩個散熱器的導(dǎo)熱平面緊扣在一起，當(dāng)兩個風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時，就能將內(nèi)部空氣的熱量通過散熱器2傳至散熱器1，再通過風(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

通過對現(xiàn)有變頻器供電特點的分析，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

為了加強濾波，并且希望濾波電容儲存的電量能夠維持變頻器交流瞬時失電時刻的供電，就必須設(shè)置一個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載，為此又設(shè)計了一個電阻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，而放電過程通過二極管D，放電電流不受影響；電容C2用于流通高頻分量，達到濾除高次紋波的作用。這個電路的優(yōu)點還在于，當(dāng)法拉電容C1或電解電容C3萬一擊穿，由于電阻R與電容C2的限流作用，短路電流很小，不會引起變頻器的短路保護動作，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，大部分場合安裝比較方便。

2.2.2電源紋波檢測表的設(shè)計

即使外部加裝了輔助濾波電路，電解電容老化的趨勢仍舊不可逆轉(zhuǎn)，需要有一個檢測紋波電壓的表計，定期檢測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題引起的隱患。紋波檢測表本質(zhì)上是測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，再通過一交流毫伏表，就能測出紋波電壓的大小。

表3 試驗測試結(jié)果 V

所設(shè)計的檢測表電路通過電容器C1隔離直流分量，通過電阻R泄放電容器C1的電導(dǎo)電流，測得R兩端電壓就是實際的紋波電壓。為了防止表計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以保護毫伏表，電路如圖3所示。

圖2 輔助濾波電路

圖3 檢測表電路

3 試驗驗證分析

3.1 散熱技術(shù)的改進方案驗證

為了驗證散熱技術(shù)的改進方案的效果，在一退役二次屏柜內(nèi)部加上一個400 W電爐加熱，通過測量電爐加熱后不同時間的內(nèi)部空氣溫度，來驗證該方案的散熱效果，試驗結(jié)果如表2所示，環(huán)境溫度約為25℃。

表2 加熱不同時間柜內(nèi)的溫度 ℃

散熱器運行后，屏柜的溫升從23℃降低到9℃，可見散熱效果比較明顯。從根本上說，該方案將傳統(tǒng)思路的空氣交換對流冷卻改成了空氣循環(huán)——熱傳導(dǎo)冷卻，將外部、內(nèi)部空氣分開循環(huán)，使內(nèi)部熱量能帶出來，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方案驗證

為了驗證直流母線部分的改進方案的濾波與抵御瞬時失電性能，隨機選擇了2個小功率低壓變頻器，測試了并聯(lián)輔助濾波電路前后的紋波電壓大小。

另外還通過測試失電后0.5～2.0 s后輸出端電壓的大小，判斷其抵御瞬時失電的性能，實驗測試結(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。

查看試驗結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)輔助濾波電路能降低滿載時紋波電壓約50%，當(dāng)變頻器失電0.5 s后，直流母線仍有約90%電壓。此時變頻器幾乎可在不降低出力的情況下維持運行，而無輔助濾波電路的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，延長了壽命，還大幅提升了變頻器的低壓穿越能力。

4 結(jié)語

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，降低了輔機事故引發(fā)的跳閘概率。