变流器超声波清洗技术创新

李栋

摘要：冷却循环系统以高压循环泵为动力源，循环泵通过管路把冷却液送入变流柜中变流器内部水冷板中，流经水冷板的冷却液通过管路抽出，将抽出的冷却液送入风机外的空气散热器进行冷热交换，散热后的冷却液再由循环泵送入变流柜中，从而给变流器进行散热。

关键词：变流器、结垢、扰流丝、超声波清洗

一、故障现象描述

目前SWITCH变流器模块过温问题存在涉及范围广、影响范围大、发生频次高的特点，一直影响机组稳定性和客户体验。每年进入4月份后，随着气温回升，批量SWITCH变流机组在大功率并网运行时报出网侧逆变器温度高或电机侧逆变器温度高故障，查看多台机组故障文件发现，故障时机组功率约1000kW～1500kW，故障模块温度均到达70℃，同台机组其余模块温度也偏高。根据2016年和2017年上半年国内在质保内机组（代维和出保机组未统计）故障数据来看，1.5MW水冷机组报出变流器模块过温故障共计3355次，故障停机时长为1515.34h，且17年上半年故障次数已达到1881次，超过16年全年的过温故障次数，呈现恶化的趋势。

故障原因分析：

依据《GW-06FW.0166金风1.5MW机组Switch模块过温问题分析报告_A》可知，导致模块过温的主要原因是大量黄褐色胶状物杂质附着在散热器内壁及扰流丝上导致模块散热器内冷却液流量降低，模块散热器热传导能力大幅降低，热交换效率降低，模块散热不及时报过温故障。

二、故障现象测试方案描述

1、超声波清洗原理：

超声波防垢除垢技术是利用超声波在液体内传播时强声场会产生空化效应、机械剪切效应、活化效应以及抑制效应。强烈的空化作用可以打断和粉粹水中含有Ca2+、Mg2+等无机物的分子链，同时使管道内的垢发生物理变化和加速化学变化，清除设备内壁上沉积的垢层以及防止垢晶体沉积在设备内壁上的一种物理除垢方法。在超声波声场的作用下，能够使原来沉积在设备内的垢内部产生大量的空洞，垢的结构从致密变得疏松直至脱落，并逐渐消失，同时超声波还可以阻止垢的沉积。达到防垢除垢的效果，具有节能、免拆卸、无污染、使用简单方便等特点。其机理主要是：a、超声波机械作用；b、超声空化作用；c、超声热作用；d、功率产生的能量作用。

2、超声波清洗技术方案：

将报废的变流器水冷板通过线切割进行解剖，变流器内部分二层，每层9个通道，为交叉结构。其中2个通道用于电容散热，16个通道用于IGBT器件散热，通道内嵌有扰流丝以增加散热效果。根据变流器内部结构和清洗要求进行技术设计，难点在于用于IGBT功率器件散热的嵌有扰流丝16个通道。拟设计的清洗设备由高压水泵、清洗液储液箱、过滤器、压力表、流量计、阀门、专用接头、特制换能器及配套超声波发生器组成。

三、故障现象解决方案描述

针对SWITCH变流器内部水冷板结构的具体尺寸，根据1/4λ（波长）设计原则来研制特制换能器，特制换能器的最大功率不小于1000w，频率约为30kHz。

清洗流程为：

（1）用专用接头将其中一路主通道接通；

（2）将特制换能器插入另一通道，并密封；

（3）用高压泵将清洗液通过特制换能器的内孔注入散热器的内腔，并由专用堵头的内孔流入储液箱形成回路；

（4）开启超声波发生器进行清洗工作。

方案具体实施过程：

一、按照超声波清洗设备的安装要求将超声波电源、超声波控制箱和超声波换能器可靠连接，确保水路连接过程中密封无泄漏。

二、操作步骤

a、用工装将过温的变流器模块单体出水侧水管拆除；

b、将超声波清洗装置换能器插入变流器出水口内部，并可靠安装，确保密封无泄漏，安装超声波清洗装置回流管与模块进水管可靠安装，确保密封无泄漏；

c、在控制箱内的水箱中加入5升碱性清洗液，型号为：JFXQ-A，加入适量纯净水进行充分搅拌稀释，沾取少量溶液滴到PH试纸上，对比PH试纸色板，测量溶液PH值约为12；

d、开启超声波清洗装置，设置时间为30分钟，对模块进行清洗工作；

e、停止超声波清洗装置，向水箱中加入适量的酸性清洗液，型号为：JFXQ-B，充分搅拌，沾取少量溶液滴到PH试纸上，对比PH试纸色板，测量溶液PH值约为7；

f、开启超声波清洗装置，设置时间为10分钟；

g、水箱内的清洗液统一回收处理；

h、在水箱内加入10升纯净水，开启超声波清洗装置清洗5分钟；

i、恢复模块单体水管安装；

j、重复a~i步骤操作完成1U1、2U1、3U1变流器单体的逐个清洗工作。

三、测试数据分析

选取变流模块过温较为严重的河南方城中电投二期风电场作为测试风电场。河南方城中电投二期风电场安装15台金风87/1500机组，配置switch变流、Vensys变桨。该风场于2011年11月份进入质保期，2014年3月完成最终交接进入业主自维护。再于2016年4月19日开始进入金风代维期维护阶段。根据指标数据信息统计出2016年8月21日-2017年10月21日期间共计报出515次变流器过温故障。

一阶段清洗测试：

首先对42#机组进行超声波清洗测试，清洗时间为2017年11月8日。由于时间清洗过程中起大风，仅完成了2U1变流器的清洗工作，2017年11月9日机组完成加热除湿，解除限功率启机运行，当天晚上风速上升，机组报出变流器网侧逆变器温度高故障。

依据42#机组2U1清洗前后风速与温度的对比分析，在对模块清洗后经历了一次大风天（最高风速19.93m/s），变流器满功率运行时最高温度由原来的70℃降低到54℃，该温度满足了机组运行条件，未在报出变流器电机1侧逆变器温度高故障。然而，未经过清洗的变流器1U1模块运行温度到达70℃，导致机组报出变流器网侧逆变器温度高故障。由此可见，

在2017年11月17次再次大风天气对机组瞬态数据作出对比，图1图2，最大风速达到16.96m/s，当天平均风速8.10m/s，机组长时间处于满发状态，瞬态数据中功率超过1200KW与未超过1200KW散点的比值为：60.14%。测试环境较好，机组满足运行要求，且未再报出变流器逆变器温度高等相关故障，因此，超声波清洗达到了一定的清洗效果。

综上所述：从对整机清洗效果来看，一阶段未对1U1变流模块进行清洗，之前很少报出变流器网侧逆变器温度高故障，在对其余模块清洗后该故障又频繁报出，因此模块清洗作业需要将1、2、3U1一同进行清洗，同时将水冷泵处滤芯和变流器侧滤芯进行高压清洗，最后将整个水冷系统冷却液全部更换效果更佳。（由于现场未有多余的冷却液，该台机组未能全部更换冷却液）

四、结论

通过变流器水冷板扰流丝处结垢暴露出变流器逆变器温度高问题，去思考寻求新的思路方法和技术去突破传统清洗技术，1.5MW机组目前已经趋于稳定，但是在我们的机组上还是有一些需要改进的地方。作为项目现场的维护人员，我们遇见的这些问题，应该想办法去解决这些问题，才能保证金风机组逐步完善。希望以后超声波的应用可以更多地结合风电技术，继续创造出更佳优异的效果。

参考文献：

1、GW-06FW.0166金风1.5MW机组Switch模块过温问题分析报告_A

2、GW-06FW.0460_金风兆瓦机组Switch变流功率模块清洗作业指导书_归档版_A

3、《超声技术—功率超声及其应用》

4、《超声波防垢除垢及强化传热实验研究》

5、《超声波防垢措施及效果分析》