淺談高壓變頻器在高海拔地區的應用

魏清澈 喬麗

摘 要：本文主要研究了高壓變頻器在高海拔地區的應用，并結合實際的工程案例，詳細介紹了高壓變頻器在實際設計中應該注意的一些事項。隨著海拔的提高，對高壓變頻器的設計也提出了更高的要求，尤其當海拔超過4000米的時候，對設備的散熱、電氣安全距離、高低壓器件、降容參數計算及絕緣材料也提出了更高的挑戰。

關鍵詞：高壓變頻器; 高海拔 ;散熱; 降容 ;絕緣

1引言

隨著社會各界對節能降耗的迫切需求，高壓變頻器技術不斷提高，其應用領域得到了不斷的擴展。同時，我們發現高壓變頻器在平原地區的鋼鐵、電廠、水務等行業成功應用案例數不勝數，但是在高海拔地區成功應用的案例可謂鳳毛麟角。隨著海拔的提高，對高壓變頻器的設計也提出了很高的要求，國內很多企業并沒有專門針對高海拔地區，做特殊的結構設計，甚至有的廠家把適用于正常海拔的高壓變頻器直接應用在高海拔地區，這必將帶來散熱能力降低、電氣安全距離不足、高低壓器件選型不合理、變頻器降容參數計算不準確和絕緣材料性能的降低等嚴重問題。所以，急需摸索出一些高壓變頻器在高海拔地區應用的相關注意事項，并制定相應的國家標準。

2 氣候條件對變頻器性能的影響分析

我們知道高海拔地區，空氣稀薄，空氣的流量相對于平原地區會減小很多，這就會導致變頻器整體散熱能力減弱。同時，隨著氣壓的降低，電氣間隙的擊穿電壓也會同步降低，導致絕緣強度降低，氣壓的降低，也會對PCB上敏感器件的穩定性有一定的的影響。另外，也會影響到變頻器輸出至用戶電機電纜的輸送能力，需要根據傳輸的距離，結合當地的海拔，考慮是否增加輸出電抗器。除了以上幾點，我們還需要考慮變頻器內高低壓器件也要滿足高海拔要求，變頻器的降容的參數計算，也需要校核移相變壓器的輸出能力及絕緣等等，綜上所述，都需要我們在實際設計過程中采取相應的措施。

3 散熱措施

由于高壓變頻器內部的大功率半導體器件和移相變壓器，其正常工作時產生大量的熱量，占據了變頻器無功損耗的絕大部分，同時，我們了解海拔越高空氣越稀薄，這就代表了空氣介質冷卻效率的降低，對于自然對流、強迫風冷為主的電子產品溫升會增加，這種溫度的升高是不被設計者所接受的。從節約設計周期和成本角度考慮，我們從增加柜頂離心風機的風量和增加進風口的面積著手，進行改進。在柜體結構及風機型號不變的前提下，根據高海拔地區大氣壓力值等比例增大柜體所需的總風量，總風機數量由原來的5個RH45V風機，增加到9個RH45V風機，總風量對應由原來的21500立方米/小時，增加到38700立方米/小時，如果只增加風機數量而不加大進風口面積的話勢必造成進風口風速過大，而引起噪聲增加，所以，同步將進風口的總面積由原來的3860000平方毫米，增加到61760000平方毫米，以滿足變頻器運行時，不超過85DB的設計要求。同時，滿足功率單元溫升可控制在25K以內。

4 電氣安全距離措施

隨著海拔高度的不斷升高，空氣密度以及大氣壓力也會隨之逐漸降低，對于功率單元內部的IGBT，整流器等電力電子器件，變頻器輸入輸出母排等裸露的銅排，他們的絕緣介質均為空氣，其絕緣性能以及擊穿電壓也會隨著空氣密度和氣壓的減小而降低，電暈閃絡在表面的發生率也會隨之升高。所以，我們可以根據IEC 61800-5-1-2007中的規定，對電氣間隙進行相應的修正。

通過上邊的表格，我們可以發現，隨著海拔的升高，電氣間隙修正系數也在隨之增加，所以，在進行電氣設計時只有對電氣絕緣進行合理的修正，才能保證變頻器的安全運行。

5 選用高原型高低壓器件的措施

在變頻器設備中，高低壓元器件選型很重要。尤其是高壓器件，現在通常采用的方法是在選型時選擇額定電壓至少高出實際電路電壓一個等級的產品或者使用高原型產品專為高海拔研制的電氣元件，比如高原型變壓器，高原型真空接觸器等。高壓變頻器中的避雷器也需要采用高海拔避雷器，并對其內部工頻放電值和保護值進行修正。低壓回路中采用的空氣開關或接觸器的額定電壓值，在選型要注意將其絕緣電壓適當放大，正常的電網額定電壓為400v，在4000米海拔高度可以選用絕緣電壓為1000v的框架開關和塑殼開關，以保證絕緣強度，從而減輕海拔低氣壓的影響。對高壓變頻器中的移相變壓器，功率單元模塊和開關電源均需要降容使用。

6 變頻器采取降容的措施

高壓變頻器的一般應用環境的海拔條件定義為：“不超過1000m，超過1000m應根據每升高100m，外絕緣距離增大1%，輸出額定通流能力減小1%”。其中，“外絕緣距離增大”的技術條件的可根據GB1094.11-2007《干式電力變壓器》第11.3條的規定：所設計的變壓器是在海拔超過1000m處運行，而其試驗卻是在正常海拔處進行時，對于海拔超過1000m以上的部分，以500m為一級，其溫升限值按下列數值相應降低：對于自冷式變壓器：2.5%;對于風冷式變壓器：5%。根據GB1094.11-2007標準的第12.2條的規定： 當變壓器被規定在海拔為1000 m～3 000 m之間運行，而其試驗卻是在正常海拔處進行時，其額定短時外施耐受電壓值，應根據安裝地點的海拔超過1 000 m的部分，以每100 m增加1%的方式來提高。至于在海拔超過3 000 m處運行時，其絕緣水平應由供、需雙方協商確定。

因此在海拔比較高的地區使用變頻器（如云、貴地區，川藏等地區），變頻器的容量應該有足夠的富裕量，否則就會頻繁出現過流、過載、過熱等跳閘現象。

7 選用絕緣性能更好絕緣材料的措施

高原地區還需考慮紫外線問題，紫外線輻射照度隨著海拔升高的增加率比太陽總輻射照度的增加率大得多，海拔3000米時已達到低海拔相應值的2倍。紫外線會引起絕緣材料的加速老化，因此在絕緣材料的選擇上盡量選用受溫差不大和防老化程度高的絕緣材料，柜內絕緣框架可以采用GPO-3材質，在保證強度的同時，變形量及老化程度較小。

柜體須耐鹽霧，耐腐蝕，設備涂漆工藝可以參考如下：底漆，富鋅環氧樹脂漆，干膜厚度最低60微米。中間層，高光環氧樹脂漆，干膜厚度最低80微米。面漆，脂肪族聚氨脂漆，干膜厚度最低60微米。涂漆干膜總厚度不能低于200微米。

8 結束語

隨著高壓變頻器在高海拔條件下應用需求的不斷增長，如何采取多種技術手段，保證變頻器在惡劣的自然環境下長期穩定運行，已關系到高壓變頻器應用領域能否不斷擴大的重要因素。國內高壓變頻器廠家都在根據自己的實際經驗，不斷完善相應的應對措施，同時，在產品設計和制造的各個環節中，通過各種嚴格的測試和特殊的加工工藝，以保證提供給客戶的產品能完全滿足高海拔下的應用需求。

參考文獻：

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