高海拔条件下高压变频器的设计优化

龙源期刊网高海拔条件下高压变频器的设计优化作者：何静来源：《西部论丛》2019年第31期摘要：目前高压变频器在高海拔应用条件下的需求日益增加，伴随着海拔的升高对设备的设计也提出了更高的考验。尤其是海拔超过4000米的条件下，对设备的散热，绝缘提出了前所未有的挑战，本文就西藏地区的高原条件下变频器设计要点进行了分析，提出了各方面的优化手段和措施。关键词：高海拔;变频器;绝缘;散热;移相变压器1概述本文件就西藏地域名金属矿采选工程半自磨机配套的高压变频调速系统设计和研究进行了相应的介绍。矿区位于冈底斯山脉与念青唐古拉山脉结合部位，平均海拔在5000m以上。2高原气候条件对变频器性能的影响分析针对本项目高海拔现场对设备的影响主要方面分析如下：1）空气压力或空气密度对性能的影响气压低：电气间隙的击穿电压降低，绝缘强度降低空气稀薄：风流量减小，相对散热能力减弱2）变频器板卡上对气压敏感器件的影响龙源期刊网）电缆输送能力的影响4）二次器件海拔考虑5）变压器输出能力及绝缘的影响。6）设备室内放置，紫外线辐射忽略不计。3针对高海拔应用采取的特殊设计方案针对高海拔环境对变频器可靠性及特殊设计要求，荣信公司采取针对性的措施，保证设备的稳定运行，具体方案说明如下：3.1针对击穿电压、绝缘强度降低的影响采取的措施根据国标《GB/T20626特殊环境条件高原电工电子产品通用技术要求》及IEC;;60664-1：2007中均规定海拔5000米时电气隙修正系数为“1.48”。因此高压变频器中功率柜中的所有电气间隙均要按正常电气间隙的1.48倍进行考核。但功率单元中的功率器件接线端子间电气间隙无法满足要求。所以我们采用降低功率单元的电压，增加串联级数的方案来满足绝缘耐压及散热要求。功率单元电压由原来的690V降低为460V，通过增加单元级数来满足输出电压的需求。10kV等级变频功率系统按13级单元串联设计。3.2针对空气稀薄：风流量减小，相对散热能力减弱采取的措施变频器柜体散热风机采用5000米高海拔产品，优化系统散热风路，使风流量有效通过功率器件和电容器，达到有效的冷却效果。由于项目现场在海拔5000米左右，海拔高度对强迫风冷影响的机理是由于随着海拔高度的增加，空气密度减小，质量流速减小，空气分子间碰撞的概率降低，对流换热能力减弱。同样，强迫对流换热随海拔高度的变化最终体现在对流换热系数的变化上，美国军用标准规定，低于5000米以下的高空，如果忽略空气温度的变化，可按下式计算海拔高度对强迫风冷换热影响的强弱。层流：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）0.8hc（高空），hc（海平面）-分别为高空及海平面的强迫风冷对流换热系数，W/m.k龙源期刊网高空，p海平面-分别为高空及海平面的空气压力，帕斯卡ρ高空，ρ海平面-分别为高空及海平面的空气密度，克/立方米海拔高度对热设计的影响及解决对策强迫对流时的解决对策增大面积法预先计算出海拔高度对自然对流换热系数的影响大小，通过增加相应的对流换热面积来弥补高空换热能力的减弱，按下式计算：F对流（高空）=F对流（海平面）/（ρ高空/ρ海平面）0.5提高风扇的转速（增大风量，风压）RPM2/RPM1=ρ海平面/ρ高空;;RPM2，RPM1-分别为高空及海平面的风扇转速，转/分钟。（以上所述摘自行业设计规范及技术文献）根据上述公式及表格得出：1.功率柜面积：F对流（高空）=F对流（海平面）/（ρ高空/ρ海平面）0.5F对流（高空）=3725000/（719/1292）0.5F对流（高空）=3725000/0.746F对流（高空）=4993297mm22.风扇的转速（以400系列风机为例）RPM2/RPM1=ρ海平面/ρ高空RPM2/870=1292/719RPM2=870x（1292/719）RPM2=1563转/分钟龙源期刊网（已经高于50Hz异步电机的同步转速。同步转速（转/分钟）=60*频率/极对数，4极电机，为2对磁极。所以4极电机的同步转速=1500转/分钟，所以此风机不满足）功率柜由8级单元串联增加为13级单元串联。进风口面积由3725000mm2增加到5960000mm2，远远大于公式所要求的4993297mm2。针对400型风量不足问题，柜顶风机由型号RHA400D更换为RHA560D。转速由870转/分钟提升为1360转/分钟，低于公式中要求。但单台所提供风量为9000m3/小时。功率柜共配有8台风机，可提供72000m3/小时的风量，是平原地区设计风量的2倍。综合以上设计，此项目的功率单元设计温升可控制在25K以内。满足现场海拔5000米要求。3.3针对高海拔低压配电采取的措施低压配电部分主要指變频器控制系统配电回路，含控制系统板卡供电，二次回路主要执行器件和冷却系统的供电等部分，此低压配电回路对高海拔环境同样需重点考虑。绝缘要求：电气间隙调整系数K=1.48*（针对2000m应用器件），工频耐受电压实验调整系数K=1.43*（针对2000m应用器件），温升要求：考核低压配电器件的温升下调15K*（针对2000m应用器件），如：对互感器按照F级温升考核（110K），针对高海拔地区（5000m）应用，互感器温升考核应为110-15=95K。*参考标准GB/T20626.1-2006《特殊环境条件高原电工电子产品第1部分：通用技术要求》GB/T20645-2006《特殊环境条件高原用低压电器技术要求》3.4内部高压电缆的设计考虑用于柜内敷设的高压电缆系统参数为：变压器二次繞组至功率单元输入，电缆选择：10kV95mm2耐寒软电缆龙源期刊网功率单元串联输出电缆选择：13.8kV2*120mm2耐寒软电缆。3.5功率单元主要部件设计考虑对直流电容器的考虑：功率单元直流电容器采用干式薄膜电容器，降额使用，无漏液等影响变频器整体寿命的问题。对设备板卡、气压敏感的器件采取的措施通过降低板卡输入电压，从原来的AC690V降低到AC460V，相当于原来电压水平的66.7%。按照电气间隙的海拔修正系数，海拔5000米时，对应海拔2000米应该按照1.48的修正系数。而本次降低电压的程度即可弥补海拔升高造成的影响。板卡上的元器件板卡上的元器件也将考虑到高海拔应用，例如，板载电解电容本次设计将采用固态钽电容和高海拔电解电容，这一类电解电容可以应用到海拔8000m的环境中。3.6移相变压器采取的措施变压器考虑高海拔带来的影响，需要加大绝缘距离，降低温升设计值。主要通过以上措施，提高绝缘能力。结束语通过上述针对高海拔条件下的特殊设计，配套的变频器在高海拔条件下运行存在的主要问题都可得到有效的解决。参考文献[1]《GB/T20635特殊环境条件高原电工电子产品通用技术要求》[2]GB/T20626.1-2006《特殊环境条件高原电工电子产品第1部分：通用技术要求》[3]GB/T20645-2006《特殊环境条件高原用低压电器技术要求》