風(fēng)電機(jī)組電控柜防凝露控制方案

文 | 衛(wèi)子榕，譚鳳軍

國(guó)內(nèi)常規(guī)電力系統(tǒng)采用防凝露控制已有十幾年的歷史，尤其在電力系統(tǒng)的高壓設(shè)備運(yùn)行中起到了積極作用，各類除濕器、溫控器等產(chǎn)品種類也非常豐富，但是當(dāng)前流行的自動(dòng)防凝露控制器，在南方近海區(qū)域風(fēng)電機(jī)組電控柜上使用效果并不理想。在目前北方各大風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組控制柜、變頻器及變槳控制器控制柜等電控柜對(duì)防潮、抗凝露要求并不明顯，隨著內(nèi)陸風(fēng)電市場(chǎng)的迅速飽和，風(fēng)電機(jī)組逐步向沿海、近海型發(fā)展，電控柜潮濕、凝露問(wèn)題逐步凸顯。根據(jù)本公司在近海區(qū)域風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，凝露導(dǎo)致很多電子部件，尤其是配套電氣設(shè)備中的電路板及開關(guān)組件損壞，產(chǎn)生較高的更換及維護(hù)費(fèi)用，并造成一定的停機(jī)損失，影響了整個(gè)機(jī)組的可利用率。根據(jù)近海區(qū)域的使用環(huán)境和風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，本文提出了新的風(fēng)電機(jī)組電控柜防凝露控制方案，旨在解決電控柜凝露損壞問(wèn)題。

高濕環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備的影響

環(huán)境濕度對(duì)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行有很大影響，電氣工程中相對(duì)濕度大于80%時(shí)，稱為高濕，相對(duì)濕度小于40%，稱為低濕或干燥。濕度對(duì)電氣設(shè)備的影響主要是絕緣強(qiáng)度、霉菌生長(zhǎng)、金屬腐蝕。

一、影響設(shè)備的絕緣強(qiáng)度

凝露會(huì)使電氣設(shè)備的絕緣電阻降低，設(shè)備的泄漏電流大大增加，造成絕緣擊穿，開關(guān)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生凝露引起爬電、閃絡(luò)事故，產(chǎn)生電氣故障。

二、利于霉菌生長(zhǎng)

溫度為25℃－30℃，相對(duì)濕度為75%－95%時(shí)，適合霉菌繁殖。當(dāng)菌絲積累較多時(shí)，產(chǎn)品絕緣性能大大降低。而且霉菌在代謝的過(guò)程中，往往會(huì)分泌出酸性物質(zhì)，使導(dǎo)電金屬和電接觸材料產(chǎn)生一層晦暗膜，導(dǎo)致接觸電阻增大。特別對(duì)電子儀器的印刷電路板，如果長(zhǎng)期處在這樣環(huán)境中會(huì)腐蝕電路，將降低儀器精度，或造成設(shè)備故障，甚至燒毀儀器。

三、腐蝕金屬

電氣設(shè)備中的導(dǎo)電金屬、導(dǎo)磁硅鋼片受到腐蝕后，將嚴(yán)重降低設(shè)備的性能和使用壽命。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到一定數(shù)值后，金屬的腐蝕會(huì)突然加快。在工程上，把這一濕度稱為臨界濕度。例如鋼的臨界濕度70%，鐵為63%，銅為60%。腐蝕致使金屬失去應(yīng)有的性能。鋼鐵因腐蝕發(fā)生的性狀改變，就是平常說(shuō)的“生銹”。

風(fēng)電機(jī)組電控柜凝露形成分析

一、凝露形成與溫度的關(guān)系

所謂電控柜凝露現(xiàn)象是指柜體內(nèi)壁及柜內(nèi)元器件表面溫度下降到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，柜體內(nèi)壁表面及元器件會(huì)發(fā)生水珠凝結(jié)現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象稱之為凝露。在濕空氣焓濕圖（如圖1）中，某狀態(tài)下的未飽和空氣，在含濕量不變的情況下將其冷卻到飽和狀態(tài)(Φ=100%）時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，即為該狀態(tài)空氣的露點(diǎn)溫度。在圖1中A狀態(tài)下的濕空氣，降溫使空氣相對(duì)濕度達(dá)100%狀態(tài)時(shí)，t1溫度即露點(diǎn)溫度，出現(xiàn)凝露。根據(jù)此方法，可得出風(fēng)電機(jī)組電控柜工作范圍內(nèi)的露點(diǎn)溫度（見表1）。

圖1 濕空氣焓濕圖（h-d圖）

在高濕度條件和20℃左右時(shí)，也可利用如下公式計(jì)算：

表1 空氣露點(diǎn)溫度表

例如，在相對(duì)濕度為80%的條件下，當(dāng)電控柜外部空氣溫度為20℃時(shí)，如果電控柜內(nèi)器件表面溫度為16.4℃，即會(huì)在表面形成凝露。而在同樣溫度條件下，當(dāng)相對(duì)濕度RH為最大100%時(shí)，露點(diǎn)溫度等于外部空氣溫度為20℃。

二、近海運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組電控柜凝露原因

近海風(fēng)電場(chǎng)空氣相對(duì)濕度經(jīng)常達(dá)90%以上，在正常并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，電控柜內(nèi)溫度通常要高于柜外溫度，一般不會(huì)形成凝露現(xiàn)象。但根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因電網(wǎng)原因、天氣原因、設(shè)備故障或日常保養(yǎng)等原因，而使風(fēng)電機(jī)組處于斷電停運(yùn)狀態(tài)，電控柜內(nèi)小環(huán)境溫度比周圍環(huán)境溫度低，在其表面就極易形成凝露，在這種情況下，一旦送電投運(yùn)，事故就隨之發(fā)生。

風(fēng)電機(jī)組電控柜防凝露設(shè)計(jì)

一、常用防凝露控制原理（圖2）及特點(diǎn)

目前常規(guī)采用的電控柜防冷凝方案主要有溫度控制加熱方式和溫濕度綜合控制加熱方式。沿海風(fēng)電場(chǎng)冬夏季環(huán)境溫度處于5℃－38℃之間，在不同相對(duì)濕度條件下，對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度則可在0℃－38℃之間所有點(diǎn)出現(xiàn)。如果采用溫度控制方式，要求設(shè)定一個(gè)固定溫度作為加熱控制點(diǎn)。加熱器啟動(dòng)溫度過(guò)低則不能起到防凝作用，溫度設(shè)定過(guò)高，則會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間加熱，經(jīng)濟(jì)型較差。

使用溫濕度控制方式，要求設(shè)定一個(gè)固定溫度值和一個(gè)固定相對(duì)濕度值，當(dāng)電控柜溫度或者相對(duì)濕度任何一個(gè)值超限，都啟動(dòng)加熱器。使用這種控制方式有一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)檫@種溫濕度控制器只能檢測(cè)電控柜內(nèi)環(huán)境溫度，當(dāng)柜外空氣溫度發(fā)生變化時(shí)，柜內(nèi)凝露點(diǎn)溫度也會(huì)隨著改變，例如：同樣在相對(duì)濕度RH為 60% 的空氣條件下，當(dāng)柜外空氣溫度為30℃時(shí)，露點(diǎn)溫度為21.4℃，而當(dāng)柜外空氣溫度將為28℃時(shí)，露點(diǎn)溫度變?yōu)?9.5℃，顯然一個(gè)固定設(shè)置的溫度控制值仍舊不能準(zhǔn)確的控制柜內(nèi)凝露現(xiàn)象。而南方海岸沿線風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域，年平均相對(duì)濕度80%以上，部分季節(jié)則達(dá)98%以上，當(dāng)柜外氣溫比較低而空氣濕度又比較大時(shí)，靠濕度控制器控制并不經(jīng)濟(jì)。

圖2 電控柜凝露控制原理

此外，市場(chǎng)還有一種凝露傳感器用于電控柜防凝露控制，這是一種被動(dòng)型動(dòng)作器件，即一定要在空氣中的水汽壓力飽和時(shí)，也就是在傳感器表面到達(dá)露點(diǎn)溫度，凝露發(fā)生時(shí)才會(huì)傳感器才回發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)加熱器工作。這種凝露傳感器必須在凝露發(fā)生后，然后才能啟動(dòng)加熱器，而把防凝露作為一個(gè)電控柜反事故重要措施來(lái)說(shuō)，并不安全。

由以上分析可以看出，從經(jīng)濟(jì)性和可靠性綜合分析，當(dāng)前流行的幾種電控柜防冷凝方案都不太令人滿意。

二、近海運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組電控柜防凝露控制方案

對(duì)照表1“空氣露點(diǎn)溫度表”，需要監(jiān)測(cè)空氣相對(duì)濕度RH1，柜外空氣溫度T1，然后通過(guò)查表法即可得出露點(diǎn)溫度T3，此時(shí)通過(guò)加熱方式控制電控柜內(nèi)溫度T2，并保持電控柜內(nèi)溫度T2總高于露點(diǎn)溫度T3。這樣即可防止電控柜在任何相對(duì)濕度和溫度狀態(tài)下形成凝露，并通過(guò)T2溫度傳感器精確控制柜內(nèi)加熱器運(yùn)行，避免了長(zhǎng)時(shí)間加熱造成的電能損耗。同時(shí)，為防止電控柜內(nèi)溫度過(guò)高，在控制參數(shù)中設(shè)定最高溫度限值TMax，根據(jù)電控柜內(nèi)設(shè)備一般要求，此溫度一般不大于40℃。

按此方案對(duì)于現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組部分電控柜進(jìn)改造，取得了明顯的效果。改造后的電器元件損壞率大大降低，實(shí)現(xiàn)電控柜防凝露控制。此方案不僅適用于風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行期間的防凝露保護(hù)，而且在風(fēng)電機(jī)組斷電重啟期也能起到保護(hù)作用。圖3和圖4分別為風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)下的凝露控制流程圖。

圖3 風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)狀態(tài)下的凝露控制流程

圖4 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下的凝露控制流程

結(jié)語(yǔ)

本論文所研究風(fēng)電場(chǎng)處于海岸帶區(qū)域，應(yīng)用環(huán)境濕度高，鹽霧重。實(shí)際應(yīng)用效果說(shuō)明，該控制方案對(duì)風(fēng)電機(jī)組電控柜的防凝露效果明顯，對(duì)近海區(qū)域風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了很大作用。