金风 1.5MW机组变流器湿度问题分析与改进

汪乐

摘要：金风1.5MW机组属于直驱型全功率变频机组，变流系统对空气湿度要求较高，但是由于太平风电场所处地域空气湿度较大，导致每年金风机组的湿度告警次数居高不下，功率单元损坏情况也反复出现，本文结合太平风电场实际情况，对湿度大的原因进行了分析并提出了解决措施。

关键词：金风1.5MW风机 变流系统 功率单元 湿度

1、前言

一直以来风力发电机组的运行就易受到外界环境影响，而湿度更是会直接导致风机停机的一项重要指标，根据运行数据统计，2017年太平风电场金风1.5MW机组因湿度原因导致的变流系统故障次数居高不下，目前我们迫切需要对该现场风机内湿度偏大的原因进行分析，针对性的采取预防措施，从而有效降低变流系统故障发生的次数以及功率单元损坏的几率。

2、湿度定义及影响

2.1 湿度的定义

湿度，在气象学中指的是空气湿度，它是空气中水蒸气的含量。在实际工作共我们一般用到的湿度指的是相对湿度，是空气中实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压之比的百分数。

2.2 湿度的影响

2.2.1对绝缘强度的影响。

湿度偏高，降低了电气设备绝缘强度，空气中的水分附着在绝缘材料的表面，使电气设备的绝缘电阻降低，设备的泄漏电流大大增加，造成绝缘击穿，产生电气故障；

2.2.2 对霉菌生长的影响。

潮湿的空气有利于霉菌孢子发芽生长。实践表明，温度为25－30℃，相对湿度为75%-95%时，是霉菌繁殖的良好气候条件。如果空气不对流，将使霉菌生长迅速加快。因此，在湿度相同、气温相等的情况下，室内设备长霉比室外设备要严重得多。霉菌形成后，霉菌细胞中含有大量的水分，当菌丝呈网状布满绝缘体表面时，不仅产品绝缘性能大大降低，而且影响设备外观和标志。霉菌在代谢的过程中，往往会分泌出酸性物质。使导电金属和电接触材料产生一层晦暗膜，导致接触电阻增大。特别对电子仪器的印刷电路板，如果长期处在这样环境中会腐蚀电路，将降低仪器精度，或造成设备故障，甚至烧毁仪器。

2.2.3 对金属腐蚀的影响。

电气设备中的导电金属、导磁硅钢片受到腐蚀后，将严重降低设备的性能和使用寿命。当相对湿度达到一定数值后，金属的腐蚀会突然加快。在工程上，把这一湿度称为临界湿度。例如钢的临界湿度70℅，铁为63℅，铜为60℅。腐蚀致使金属失去应有的性能。钢铁因腐蚀发生的性状改变，就是平常说的“生锈”。

3、金风1.5MW机组变流器湿度大原因分析

3.1 变流柜结构分析

由于金风1.5MW机组变流器安装在塔筒底部平台的变流柜体内，变流柜的结构形状与密封情况会直接影响内部变流器的湿度情况，如图1所示，金风1.5MW风机变流柜分为制动单元柜（左一）、网侧逆变单元柜（左二）、控制柜（中间）、机侧整流单元柜1（右二）、机侧整流单元柜2（右一）5个单独的部分，每个单元柜之间由带孔洞的隔板隔开，在中间控制柜上部有2个均热风扇，将整个变流柜内的热量进行内部循环，防止局部温度过高或过低。

图1 变流柜整体结构图

3.2 变流柜自身湿度较高原因分析

根据图1变流柜结构所示，变流柜内部存在大量冷却液管道及接头，若因密封不严会直接导致冷却液出现渗漏，渗漏的液体就是变流柜自身水汽的直接来源；另外由于变流柜自身对密封性要求较高，若内部空气本身水汽含量就较高，在运行中水汽也无法较好的散出。

在太平风电场运行的33台机组金风1.5MW机组中，暂未发现渗漏情况，但根据在变流器内部放置的便携式温湿度计检测的数据，变流柜内部湿度在10RH-48RH之间，如在雨季，该数值还会增大，可见柜内湿度处于相对较高水平。

3.3 变流柜外部湿度影响原因分析

由于整个变流柜位于塔筒内部，塔筒内湿度较高时，潮湿空气会透过变流柜密封不严处进入变流柜内部，影响变流器自身的湿度，由风力发电机变流柜内部和外部放置的湿度计数据显示（图2），在变流柜关闭的情况下，塔筒内湿度比变流柜湿度要高出30RH左右，变流柜内湿度与变流柜外部湿度变化趋势类似，所以若塔筒内相对湿度较高，会直接影响变流柜内部湿度。

图2 金风1.5MW风机变流柜内外湿度对比图

以太平风电场金风机组为例，通过现场检查发现，所有机组变流柜电缆进柜处、柜门密封处均良好，但在柜体底部有12个小孔未封堵（图3），机组在停机24小时左右，变流柜内部有明显凝露现象（图4）。

图3 柜底螺栓连接孔 图4 柜内凝露

4、湿度问题改进方案分析

4.1 变流柜内部除湿措施

4.1.1通过除湿设备降低水汽含量

根据变流柜结构以及内部器件分布，降低柜内水汽含量，需要采取的除湿手段包括内部安装除湿机以及放置除湿材料，以太平风电场风机为例，目前已采取的措施有安装除湿机和放置除湿盒。由于变流柜内功率单元、冷却水管、电抗器已占据大部分空间，剩余空间较小，可以选择安装2个小型除湿机（图5），工作方式采用持续工作模式，另外为保证除湿效果可以选择配合除湿盒（图6）来使用。

图5 小型除湿机 图6 除湿盒

4.1.2 提高设备温度降低相对湿度

根据温湿度检测数据，金风1.5MW风机变流柜内温度与湿度之间呈现反相关，如图7所示。

图7 金风1.5MW风机变流柜内温湿度对比图

另外根据相对湿度的定义，随着温度的增高，空气中可以含的水份就越多，也就是说，在同样多的水蒸气的情况下温度升高相对湿度就会降低，这与数据检测情况完全一致。由于风力发电机组在正常运行时，功率单元热量较高，柜内温度会维持在一个较高温度，当机组停运后，柜体内温度下降，湿度增大甚至出现凝露情况，一旦机组再次投运，必然会因湿度过大导致故障或者事故，为降低整个变流柜内相对湿度，也可以在合理范围内提高变流柜内的温度，尤其是在机组停运后再次启动前，必须先提高变流柜温度。

根据设备厂家资料，金风1.5MW机组变流柜的温度调节主要受3个因素影响^[1]，第一，变流柜内网侧单元柜、机侧单元柜和控制柜的温度低于15℃时加热器启动，温度高于25℃时停止；第二，冷却液温度低于15℃时，加热器启动，温度高于25℃时停止；第三，凝露传感器检测到凝露时加热器启动，无凝露现象时停止。另外金风机组水冷系统的温度调节还受主控系统程序影响，当进阀水温进阀水温如果大于25℃时电磁三通阀开始打开，大于30℃外部风扇开始工作^[3]。根据以上原理分析，若要提高变流柜整体温度，可以提高加热器的启动温度至其水冷系统开始动作的温度范围，例如将加热器调整至低于20℃启动，高于30℃停止，将三通阀步进打开和关闭温度、外部风扇启动和停止温度均上调3℃。

4.2 变流柜外部湿度大问题改进措施

4.2.1 加强变流柜的密封，隔绝外部水汽进入柜内

金风1.5MW机组变流柜有5扇单独的柜门，柜顶和柜底还设有电缆进线的孔洞，此外柜体底部还有若干螺栓的连接孔，以太平风电场为例，目前采取的措施为柜门为橡胶密封条密封，进线孔洞用防火泥封堵，底部螺栓连接孔裸露（图3），为防止水汽进入造成湿度增大，需要对螺栓连接孔进行封堵。

4.2.2 降低塔筒底部整体湿度，改善外部环境

对塔筒底部的明显积水进行处理和预防，风电场应定期清理积水外，还应根据积水来源采取应对措施，包括塔筒基础防水处理和除湿机排水管处理，由于目前塔筒基础防水层均不同程度破损（图8）且变流柜内除湿机排水管未连接至塔筒外部（图9），外部渗水和内部排水直接导致塔筒底部产生积水。

图8 塔筒基础防水破损 图9 除湿机排水管出口

除了以上措施外，还可以通过增加设备的方式来降低塔筒内部湿度，目前较常见的措施为增加除湿机。假设塔筒下段是一个相对密闭空间，按照下段直径及高度计算，立体空间近似3.14×2^2×18.7≈235m^3，需选用1.3kW及以上的工业用除湿机，根据其它现场实验数据表明，安装除湿机后，塔筒内相对湿度可以平均下降36%，效果较为明显^[2]。

5、结束语

与其它机组相比，金风1.5MW机组更容易受环境湿度影响，一方面是其变流器自身结构原因，另一方面也也各现场机组的内外环境息息相关，从运行维护角度来说，只有从源头入手，控制导致相对湿度过大的水汽的进入变流柜，改善变流器的运行环境，才能降低金风1.5MW机组的的变流系统湿度故障，才能避免变流系统功率模块的反复损坏，希望通过以上措施，能有效提高各个风电场金风1.5MW机组运行的稳定性。

[参考文献]

[1] 新疆金风科技股份有限公司.Q/JF2SJ1500SM.6-2008.金风1500kW系列风力发电机组运行手册.新疆:金风科技股份有限公司，2008-09-10

[2]裴金榜. 金风2.5MW机组陆地潮湿地区除湿效果评估. 新疆金风科技股份有限公司，2016

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