高海拔條件下高壓變頻器的設(shè)計優(yōu)化

何靜

摘 要：目前高壓變頻器在高海拔應(yīng)用條件下的需求日益增加，伴隨著海拔的升高對設(shè)備的設(shè)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(shè)備的散熱，絕緣提出了前所未有的挑戰(zhàn)，本文就西藏地區(qū)的高原條件下變頻器設(shè)計要點進行了分析，提出了各方面的優(yōu)化手段和措施。

關(guān)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(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和研究進行了相應(yīng)的介紹。礦區(qū)位于岡底斯山脈與念青唐古拉山脈結(jié)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(xiàn)場對設(shè)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(shè)備室內(nèi)放置，紫外線輻射忽略不計。

3 針對高海拔應(yīng)用采取的特殊設(shè)計方案

針對高海拔環(huán)境對變頻器可靠性及特殊設(shè)計要求，榮信公司采取針對性的措施，保證設(shè)備的穩(wěn)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(jù)國標《GB/T20626 特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》及IEC? ?60664-1 ：2007中均規(guī)定海拔5000米時電氣隙修正系數(shù)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(lián)級數(shù)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(shù)來滿足輸出電壓的需求。10kV等級變頻功率系統(tǒng)按13級單元串聯(lián)設(shè)計。

3.2針對空氣稀?。?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(chǎn)品，優(yōu)化系統(tǒng)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)在對流換熱系數(shù)的變化上，美國軍用標準規(guī)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(shù)，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(shè)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(yù)先計算出海拔高度對自然對流換熱系數(shù)的影響大小，通過增加相應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分鐘。

（以上所述摘自行業(yè)設(shè)計規(guī)范及技術(shù)文獻）

根據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)/分鐘

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

功率柜由8級 單元串聯(lián)增加為13級單元串聯(lián)。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(zhuǎn)速由870轉(zhuǎn)/分鐘提升為1360轉(zhuǎn)/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(qū)設(shè)計風量的2倍。

綜合以上設(shè)計，此項目的功率單元設(shè)計溫升可控制在25K以內(nèi)。滿足現(xiàn)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(tǒng)配電回路，含控制系統(tǒng)板卡供電，二次回路主要執(zhí)行器件和冷卻系統(tǒng)的供電等部分，此低壓配電回路對高海拔環(huán)境同樣需重點考慮。

絕緣要求：