高海拔條件下高壓變頻器的設計優化

何靜

摘 要：目前高壓變頻器在高海拔應用條件下的需求日益增加，伴隨著海拔的升高對設備的設計也提出了更高的考驗。尤其是海拔超過4000米的條件下，對設備的散熱，絕緣提出了前所未有的挑戰，本文就西藏地區的高原條件下變頻器設計要點進行了分析，提出了各方面的優化手段和措施。

關鍵詞：高海拔;變頻器;絕緣;散熱;移相變壓器

1 概述

本文件就西藏地域名金屬礦采選工程半自磨機配套的高壓變頻調速系統設計和研究進行了相應的介紹。礦區位于岡底斯山脈與念青唐古拉山脈結合部位，平均海拔在5000m以上。

2高原氣候條件對變頻器性能的影響分析

針對本項目高海拔現場對設備的影響主要方面分析如下：

1）空氣壓力或空氣密度對性能的影響

氣壓低： 電氣間隙的擊穿電壓降低，絕緣強度降低

空氣稀薄： 風流量減小，相對散熱能力減弱

2）變頻器板卡上對氣壓敏感器件的影響

3）電纜輸送能力的影響

4）二次器件海拔考慮

5）變壓器輸出能力及絕緣的影響。

6）設備室內放置，紫外線輻射忽略不計。

3 針對高海拔應用采取的特殊設計方案

針對高海拔環境對變頻器可靠性及特殊設計要求，榮信公司采取針對性的措施，保證設備的穩定運行，具體方案說明如下：

3.1針對擊穿電壓、絕緣強度降低的影響采取的措施

根據國標《GB/T20626 特殊環境條件 高原電工電子產品通用技術要求》及IEC? ?60664-1 ：2007中均規定海拔5000米時電氣隙修正系數為“1.48”。

因此高壓變頻器中功率柜中的所有電氣間隙均要按正常電氣間隙的1.48倍進行考核。但功率單元中的功率器件接線端子間電氣間隙無法滿足要求。所以我們采用降低功率單元的電壓，增加串聯級數的方案來滿足絕緣耐壓及散熱要求。

功率單元電壓由原來的690V降低為460V，通過增加單元級數來滿足輸出電壓的需求。10kV等級變頻功率系統按13級單元串聯設計。

3.2針對空氣稀薄： 風流量減小，相對散熱能力減弱采取的措施

變頻器柜體散熱風機采用5000米高海拔產品，優化系統散熱風路，使風流量有效通過功率器件和電容器，達到有效的冷卻效果。

由于項目現場在海拔5000米左右，海拔高度對強迫風冷影響的機理是由于隨著海拔高度的增加，空氣密度減小，質量流速減小，空氣分子間碰撞的概率降低，對流換熱能力減弱。同樣，強迫對流換熱隨海拔高度的變化最終體現在對流換熱系數的變化上，美國軍用標準規定，低于5000米以下的高空，如果忽略空氣溫度的變化，可按下式計算海拔高度對強迫風冷換熱影響的強弱。

層流：hc（高空）=hc（海平面）（ρ高空/ρ海平面）0.5

湍流： hc（高空）=hc（海平面）（ρ高空/ ρ海平面）0.8

hc（高空），hc（海平面）-分別為高空及海平面的強迫風冷對流換熱系數，W/m.k

p高空，p海平面-分別為高空及海平面的空氣壓力，帕斯卡

ρ高空，ρ海平面-分別為高空及海平面的空氣密度，克/立方米

海拔高度對熱設計的影響及解決對策

強迫對流時的解決對策

增大面積法

預先計算出海拔高度對自然對流換熱系數的影響大小，通過增加相應的對流換熱面積來彌補高空換熱能力的減弱，按下式計算：F對流（高空）= F對流（海平面）/（ρ高空/ρ海平面）0.5

提高風扇的轉速（增大風量，風壓）

RPM2/ RPM1= ρ海平面/ρ高空? ?RPM2， RPM1-分別為高空及海平面的風扇轉速，轉/分鐘。

（以上所述摘自行業設計規范及技術文獻）

根據上述公式及表格得出：

1.功率柜面積：F對流（高空）= F對流（海平面）/（ρ高空/ρ海平面）0.5

F對流（高空） =3725000/（719/1292）0.5

F對流（高空） =3725000/0.746

F對流（高空） =4993297mm2

2.風扇的轉速（以400系列風機為例）

RPM2/RPM1= ρ海平面/ρ高空

RPM2/870=1292/719

RPM2=870x（1292/719）

RPM2=1563轉/分鐘

（已經高于50Hz異步電機的同步轉速。同步轉速（轉/分鐘）=60*頻率/極對數，4 極電機，為2 對磁極。所以4 極電機的同步轉速=1500轉/分鐘，所以此風機不滿足）

功率柜由8級 單元串聯增加為13級單元串聯。進風口面積由3725000 mm2增加到5960000 mm2，遠遠大于公式所要求的4993297mm2。

針對400型風量不足問題，柜頂風機由型號RHA 400 D更換為RHA 560 D。轉速由870轉/分鐘提升為1360轉/分鐘，低于公式中要求。但單臺所提供風量為9000m3/小時。功率柜共配有8臺風機，可提供72000m3/小時的風量，是平原地區設計風量的2倍。

綜合以上設計，此項目的功率單元設計溫升可控制在25K以內。滿足現場海拔5000米要求。

3.3針對高海拔低壓配電采取的措施

低壓配電部分主要指變頻器控制系統配電回路，含控制系統板卡供電，二次回路主要執行器件和冷卻系統的供電等部分，此低壓配電回路對高海拔環境同樣需重點考慮。

絕緣要求：