风电机组电控柜防凝露控制方案

2015-12-12卫子榕谭凤军

风能 2015年5期

文 | 卫子榕，谭凤军

国内常规电力系统采用防凝露控制已有十几年的历史，尤其在电力系统的高压设备运行中起到了积极作用，各类除湿器、温控器等产品种类也非常丰富，但是当前流行的自动防凝露控制器，在南方近海区域风电机组电控柜上使用效果并不理想。在目前北方各大风电场运行过程中，风电机组控制柜、变频器及变桨控制器控制柜等电控柜对防潮、抗凝露要求并不明显，随着内陆风电市场的迅速饱和，风电机组逐步向沿海、近海型发展，电控柜潮湿、凝露问题逐步凸显。根据本公司在近海区域风电机组的运行经验，凝露导致很多电子部件，尤其是配套电气设备中的电路板及开关组件损坏，产生较高的更换及维护费用，并造成一定的停机损失，影响了整个机组的可利用率。根据近海区域的使用环境和风电机组的运行特点，本文提出了新的风电机组电控柜防凝露控制方案，旨在解决电控柜凝露损坏问题。

高湿环境对电气设备的影响

环境湿度对电气设备的安全运行有很大影响，电气工程中相对湿度大于80%时，称为高湿，相对湿度小于40%，称为低湿或干燥。湿度对电气设备的影响主要是绝缘强度、霉菌生长、金属腐蚀。

一、影响设备的绝缘强度

凝露会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，开关设备内部发生凝露引起爬电、闪络事故，产生电气故障。

二、利于霉菌生长

温度为25℃－30℃，相对湿度为75%－95%时，适合霉菌繁殖。当菌丝积累较多时，产品绝缘性能大大降低。而且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。

三、腐蚀金属

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”。

风电机组电控柜凝露形成分析

一、凝露形成与温度的关系

所谓电控柜凝露现象是指柜体内壁及柜内元器件表面温度下降到露点温度以下时，柜体内壁表面及元器件会发生水珠凝结现象，这个现象称之为凝露。在湿空气焓湿图（如图1）中，某状态下的未饱和空气，在含湿量不变的情况下将其冷却到饱和状态(Φ=100%）时所对应的温度，即为该状态空气的露点温度。在图1中A状态下的湿空气，降温使空气相对湿度达100%状态时，t1温度即露点温度，出现凝露。根据此方法，可得出风电机组电控柜工作范围内的露点温度（见表1）。

图1 湿空气焓湿图（h-d图）

在高湿度条件和20℃左右时，也可利用如下公式计算：

表1 空气露点温度表

例如，在相对湿度为80%的条件下，当电控柜外部空气温度为20℃时，如果电控柜内器件表面温度为16.4℃，即会在表面形成凝露。而在同样温度条件下，当相对湿度RH为最大100%时，露点温度等于外部空气温度为20℃。

二、近海运行风电机组电控柜凝露原因

近海风电场空气相对湿度经常达90%以上，在正常并网运行状态下，电控柜内温度通常要高于柜外温度，一般不会形成凝露现象。但根据风电机组的实际运营状况，经常会出现因电网原因、天气原因、设备故障或日常保养等原因，而使风电机组处于断电停运状态，电控柜内小环境温度比周围环境温度低，在其表面就极易形成凝露，在这种情况下，一旦送电投运，事故就随之发生。

风电机组电控柜防凝露设计

一、常用防凝露控制原理（图2）及特点

目前常规采用的电控柜防冷凝方案主要有温度控制加热方式和温湿度综合控制加热方式。沿海风电场冬夏季环境温度处于5℃－38℃之间，在不同相对湿度条件下，对应露点温度则可在0℃－38℃之间所有点出现。如果采用温度控制方式，要求设定一个固定温度作为加热控制点。加热器启动温度过低则不能起到防凝作用，温度设定过高，则会造成长时间加热，经济型较差。

使用温湿度控制方式，要求设定一个固定温度值和一个固定相对湿度值，当电控柜温度或者相对湿度任何一个值超限，都启动加热器。使用这种控制方式有一个缺点，因为这种温湿度控制器只能检测电控柜内环境温度，当柜外空气温度发生变化时，柜内凝露点温度也会随着改变，例如：同样在相对湿度RH为 60% 的空气条件下，当柜外空气温度为30℃时，露点温度为21.4℃，而当柜外空气温度将为28℃时，露点温度变为19.5℃，显然一个固定设置的温度控制值仍旧不能准确的控制柜内凝露现象。而南方海岸沿线风电场区域，年平均相对湿度80%以上，部分季节则达98%以上，当柜外气温比较低而空气湿度又比较大时，靠湿度控制器控制并不经济。

图2 电控柜凝露控制原理

此外，市场还有一种凝露传感器用于电控柜防凝露控制，这是一种被动型动作器件，即一定要在空气中的水汽压力饱和时，也就是在传感器表面到达露点温度，凝露发生时才会传感器才回发信号，驱动加热器工作。这种凝露传感器必须在凝露发生后，然后才能启动加热器，而把防凝露作为一个电控柜反事故重要措施来说，并不安全。

由以上分析可以看出，从经济性和可靠性综合分析，当前流行的几种电控柜防冷凝方案都不太令人满意。

二、近海运行的风电机组电控柜防凝露控制方案

对照表1“空气露点温度表”，需要监测空气相对湿度RH1，柜外空气温度T1，然后通过查表法即可得出露点温度T3，此时通过加热方式控制电控柜内温度T2，并保持电控柜内温度T2总高于露点温度T3。这样即可防止电控柜在任何相对湿度和温度状态下形成凝露，并通过T2温度传感器精确控制柜内加热器运行，避免了长时间加热造成的电能损耗。同时，为防止电控柜内温度过高，在控制参数中设定最高温度限值TMax，根据电控柜内设备一般要求，此温度一般不大于40℃。

按此方案对于现有风电机组部分电控柜进改造，取得了明显的效果。改造后的电器元件损坏率大大降低，实现电控柜防凝露控制。此方案不仅适用于风电机组正常运行期间的防凝露保护，而且在风电机组断电重启期也能起到保护作用。图3和图4分别为风电机组启动和运行状态下的凝露控制流程图。