变流产品应用环境温湿度数据分析与研究

李滔，何亚屏，王婷，刘斐，廖远辉，刘玉柱

（株洲变流技术国家工程研究中心，株洲 412001）

引言

变流产品现场运行可靠性与应用环境参数息息相关，据统计引起失效的环境因素主要包括图1所示四类，对于电子产品适宜的工作相对湿度范围为30～80 % ，长期超过上限将造成金属器件锈蚀和绝缘性能下降等不利影响[1]，我国地域辽阔，各地区之间气候差异巨大，根据温湿度差异大体可划分为以下四种：①高温高湿的夏季闷热天气；②高温低湿的北方干旱燥热天气；③低温高湿的南方阴雨天气；④低温低湿的北方寒冷天气，通常需要考虑除湿防凝露的为①和③。

图1 电子产品失效原因

对于新能源发电行业，早期由于地域自然资源优势，光伏电站大多集中在北方和西北干旱地区，灰尘等对产品性能影响比较大而环境湿度影响程度比较小，随着技术的发展以及自然资源的限制，在南方沼泽地区以及如图2所示水面渔光互补型光伏电站越来越常见。而对于风力发电行业，在南方山地低风速区域开发项目也越来越多，随着应用环境从西北向东南区域转变，应用环境的湿度对电气产品的长期可靠运行影响越来越大，此外，新能源行业竞争激烈，从成本和维护等角度考虑，客户往往倾向于采用防护等级相对较低的强迫风冷方式，产品在运行时需要与外界环境进行直接空气交换，不可避免将外界湿气引入柜内。

作者通过对多个已长期运行的水面光伏电站巡检发现逆变器内部结构件比较光亮如图3所示，并没有严重的锈蚀和霉菌现象，与高温、高湿地区风冷型变流产品应用一段时间后易发生腐蚀和绝缘性能降低等现象存在反常。

图2 水面光伏电站

图3 产品内部结构件状态

1 应用现场环境数据收集

1.1 现场测试基本情况

为掌握光伏逆变器运行过程中的兆瓦房内外部温度与湿度变化情况，选择南方某水面光伏电站兆瓦房作为测试对象，兆瓦房正面配置含过滤棉的进风口，为减小户外日光照射影响，四壁夹内有50 mm厚防火隔热棉，具有较好的的隔热保温效果，内部布局如图4所示。两台额定500 kW光伏逆变器面对面布置在兆瓦房内部，逆变器散热风机位于顶部，热风通过引流风道从兆瓦房两侧吹出[2]。逆变器散热风机控制逻辑是采集模块散热器基板温度，若超过55 ℃起风机，风机起来后会持续运行至少30 min，逆变器停止工作后，散热风机停止工作。

分别在逆变器内部上部模块电容处、逆变器外侧进风口和兆瓦房外侧进风口布置温湿度传感器如图5所示，并以5 min为间隔采集记录一组温度与相对湿度数据，测试时间跨度为48 h。通过对比数据可发现第二天外部环境湿度明显大于第一天温度，但内部相对湿度变化差异不大。

图4 兆瓦房内部布局

图5 温湿度传感器布置部位

1.2 温度数据

相邻两天之间，在兆瓦房外界环境温度变化差异达到8 ℃左右，逆变器周围温度差异在3 ℃左右，电容周围也在2～3 ℃左右，具体数据如图6所示。

1.3 湿度数据

相邻两天之间，在兆瓦房外界环境相对湿度变化接近18 %的情况下，逆变器周围和电容周围环境相对湿度差异在5～10 %左右，说明兆瓦房对内部逆变器环境湿度变化具有抑制作用，即使在外界相对湿度也接近100 %情况下，逆变器内部电容周围相对湿度维持在较低水平，具体数据如图7所示。

图6 不同部位温度变化曲线

图7 不同部位相对湿度变化曲线

2 数据分析

考虑到两天之间数据基本趋势基本一致，截取第一天的数据详细分析如下：

2.1 温度数据及分析

兆瓦房内两台逆变器内部相同位置电容环温数据变化如图8所示，通过数据可发现两逆变器内部相同位置电容环温基本一致，变化趋势也一致，电容环温最高接近45 ℃，时间是18点左右（并不是发电量最大的中午），最低夜间仍有22 ℃左右，时间是上午8点左右，主要是受兆瓦房保温以及内部电抗器的余热逐步排放所致。

选取1号逆变器相关各处温度情况如图9所示，有如下规律：

图8 同一兆瓦房内两台逆变器内电容环温

1）在上午8:30左右到下午16:30左右时间段，也就是逆变器主要工作期间（逆变器起机时间点应该比8:30更早一点，停机时间比16:30更晚一点，在第四条说明）逆变器进风口温度略低于外部兆瓦房进风口，最大偏差2.2 ℃，与现场人体感觉一致。

2）在16:30左右到上午8:30左右的夜间时间段，兆瓦房内部温度一直高于外部环境温度，最大相差7～8 ℃左右，在下午4:30到18:30左右，兆瓦房内部环温开始较快升温到整天最高的28 ℃左右，电容环境温度也快速升高到达全天最高温度44 ℃左右，电容处大概是2h内温升20 k左右。外部环境由于16:30后逐步入夜，温度是逐渐下降直至第二天早上8:30左右。

3）在18:30以后由于电抗器余热释放逐步减小，外界环境温度也逐步下降，电容周围环温与兆瓦房内部环境温度开始逐步下降直至第二天上午8:30左右，然后重新开始循环。说明兆瓦房内部和逆变器内部环境温度停机后受余热影响大，兆瓦房整体具有保温功能。

4）逆变器的实际起机和停机时间应该是温度数据存在较大锯齿波动时间段，大概为早上7点左右，因为此时功率较小，电容处明显有温度上升变化，但此时不足以触发散热风机工作，故在7:00到8:30之间存在，风机反复启停，造成电容周围环境温度周期性波动，变化周期大约为30 min，停机过程也存在这个风机循环启停过程，只是波动幅值相对起机较小，具体为图中框出区域。

5）全天电容环境温升（相对逆变器周围环境温度）最大值在下午18:30点左右，温升值约17 K左右，此时处于停机状态，电容本身无电流不发热。

6）综合上述分析发现通过合理控制停机过程散热风机停止时间点、风机启动后最小持续时间以及触发散热风机启动散热器基板温度阀值，可实现逆变器内部环境温度的人为调控。

2.2 湿度数据及分析

同一兆瓦房内两逆变器内部相同位置电容环境相对湿度如图10所示，通过数据可发现两逆变器内部相同位置电容环境相对湿度本一致，变化趋势也一致，电容环境相对湿度最高接近60 %，时间是上午8:30～10:30之间，电容环境相对湿度最低为28 %左右，时间是下午16:30左右。

图9 逆变器24 H内温度变化趋势

图10 同一兆瓦房内两台逆变器内电容环温

选取1号逆变器相关各处相对湿度情况如图11所示，有如下规律：

1）由于外部环境特点，兆瓦房外相对湿度在这个季节仍旧有最高85 %左右（第二天接近100 %的情况）。

2）在夜间外部环境相对湿度大的时间段内，兆瓦房内逆变器周围相对湿度是低于外部环境湿度的，差异在10～20 %之间，主要是逆变器余热持续散发（主要是逆变器的电抗器、散热器等热容量比较大的部件）导致兆瓦房内部环境温度高于外部，使得相对湿度降低，且夜间风机不工作，空气交换量也很小，外界湿度对内部影响有限。在8:30到16:40区域内，也就是逆变器工作时间段内逆变器环境相对湿度略高于外部环境相对湿度，主要是外部环境温度也上升，相对湿度变小，根据前面分析结果此时间段内兆瓦房内部温度略高于外部。

3）电容周围环境相对湿度显著低于柜体外部，尤其是夜间差异在20～30 %，白天工作时间段差异在10～15 %左右，主要是受温度变化影响，因为从前面温度分析可知，停机初期电抗器余热使得电容环温急速上升，在此时间内也迅速拉开了电容环境相对湿度与逆变器环境相对湿度。

4）在白天主要工作时间段内，三个部位的相对湿度差异明显小于晚间，主要是白天三个部位温度差异也明显小于夜间，此外白天风机启动工作，空气流动大，环境温度与湿度有强耦合关系。

5）由于兆瓦房保温与内部持续散发余热，使得逆变器内部相对湿度维持在60 %以下。

6）综合上述分析发现通过合理控制停机过程散热风机停止时间点、风机启动后最小持续时间以及触发散热风机启动散热器基板温度阀值，可实现逆变器内部器件余热缓慢自由散发而维持内部相对湿度处于较低状态，达到人为调控的目标。

图11 逆变器24 H内温度变化趋势

2.3 温度与湿度耦合关系分析

逆变器内部电容周围环境温度与相对湿度存在耦合现象如图12所示，温、湿度数据有负相关关系，符合相对湿度的自然属性，从波动周期来看与对风机的控制逻辑参数也吻合一致，16:30左右随着内部温度的急剧温度上升，相对湿度急剧下降，降低夜间逆变器内部凝露的可能性[3]。

从下午4:30到18:30左右，电容环境温度快速升高到达全天最高温度44 ℃左右，电容处大概是2 h内温度变化20 k左右，在此时间段内，电容相对湿度从53 %快速下降到28 %左右。

逆变器周围环境温度与相对湿度也存在耦合现象如图13所示，在18:30左右，逆变器内部温度达到全天最高值30 ℃左右，相对湿度为全天最低值54 %左右。在上午8:30左右，兆瓦房内部环境温度达到最低值19 ℃左右，相对湿度达到最高值75 %，在这两个时间点之间温、湿度都是连续平缓变化。在停机、开机温度波动时相对湿度有小范围跟随波动。

图12 逆变器内部电容周围环境温度与湿度关系曲线

图13 逆变器周围环境温度与湿度关系曲线

图14 兆瓦房周围环境温度与湿度关系曲线

图15 电容环境温度与露点温度差值曲线

兆瓦房周围环境温度与相对湿度存在耦合现象如图14所示，外部环境温湿度主要受自然环境影响，整体的湿度还是非常高的，尤其是从附录所列两天完整数据来看，外界环境湿度在冬季夜间也有接近100 %。外界环境温度变化范围为18～24 ℃之间。相对湿度为55～85 %之间，从第二天的数据来看为50～99 %之间。

2.4 凝露风险分析

对比电容环境温度与露点温度差值如图15所示，基本都在10 ℃以上，所以逆变器内部电抗器整夜的余热释放和兆瓦房的保温作用，即使在相对湿度比较大的应用环境下，柜内基本不会有凝露的风险，柜内的湿度控制在比较低的范围内，这也解释了在高湿环境下长时间应用后，柜内钣金件表面仍然光亮如新，并没有腐蚀情况的发生[4,5]。

3 结论

本文测试并分析了高湿地区变流产品运行环境温、湿度数据及其变化规律，发现具有保温作用的兆瓦房对内部变流器具有抑制相对湿度变化的作用，提出可通过合理控制停机过程散热风机停止时间点、风机启动后最小持续时间以及触发散热风机启动散热器基板温度阀值，实现逆变器内部环境温度和湿度的低成本调控，实现高湿地区逆变器的防凝露的功能，确保变流产品在高湿地区长期应用也不会因湿度造成腐蚀和绝缘降低等问题。