高海拔条件下高压变频器的设计优化

2019-10-14何静

西部论丛 2019年31期

何静

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

3）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）0.8

hc（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

p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

增大面積法

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）