變流產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)分析與研究

李滔，何亞屏，王婷，劉斐，廖遠(yuǎn)輝，劉玉柱

（株洲變流技術(shù)國家工程研究中心，株洲 412001）

引言

變流產(chǎn)品現(xiàn)場運行可靠性與應(yīng)用環(huán)境參數(shù)息息相關(guān)，據(jù)統(tǒng)計引起失效的環(huán)境因素主要包括圖1所示四類，對于電子產(chǎn)品適宜的工作相對濕度范圍為30～80 % ，長期超過上限將造成金屬器件銹蝕和絕緣性能下降等不利影響[1]，我國地域遼闊，各地區(qū)之間氣候差異巨大，根據(jù)溫濕度差異大體可劃分為以下四種：①高溫高濕的夏季悶熱天氣；②高溫低濕的北方干旱燥熱天氣；③低溫高濕的南方陰雨天氣；④低溫低濕的北方寒冷天氣，通常需要考慮除濕防凝露的為①和③。

圖1 電子產(chǎn)品失效原因

對于新能源發(fā)電行業(yè)，早期由于地域自然資源優(yōu)勢，光伏電站大多集中在北方和西北干旱地區(qū)，灰塵等對產(chǎn)品性能影響比較大而環(huán)境濕度影響程度比較小，隨著技術(shù)的發(fā)展以及自然資源的限制，在南方沼澤地區(qū)以及如圖2所示水面漁光互補型光伏電站越來越常見。而對于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，在南方山地低風(fēng)速區(qū)域開發(fā)項目也越來越多，隨著應(yīng)用環(huán)境從西北向東南區(qū)域轉(zhuǎn)變，應(yīng)用環(huán)境的濕度對電氣產(chǎn)品的長期可靠運行影響越來越大，此外，新能源行業(yè)競爭激烈，從成本和維護(hù)等角度考慮，客戶往往傾向于采用防護(hù)等級相對較低的強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，產(chǎn)品在運行時需要與外界環(huán)境進(jìn)行直接空氣交換，不可避免將外界濕氣引入柜內(nèi)。

作者通過對多個已長期運行的水面光伏電站巡檢發(fā)現(xiàn)逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件比較光亮如圖3所示，并沒有嚴(yán)重的銹蝕和霉菌現(xiàn)象，與高溫、高濕地區(qū)風(fēng)冷型變流產(chǎn)品應(yīng)用一段時間后易發(fā)生腐蝕和絕緣性能降低等現(xiàn)象存在反常。

圖2 水面光伏電站

圖3 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)件狀態(tài)

1 應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)收集

1.1 現(xiàn)場測試基本情況

為掌握光伏逆變器運行過程中的兆瓦房內(nèi)外部溫度與濕度變化情況，選擇南方某水面光伏電站兆瓦房作為測試對象，兆瓦房正面配置含過濾棉的進(jìn)風(fēng)口，為減小戶外日光照射影響，四壁夾內(nèi)有50 mm厚防火隔熱棉，具有較好的的隔熱保溫效果，內(nèi)部布局如圖4所示。兩臺額定500 kW光伏逆變器面對面布置在兆瓦房內(nèi)部，逆變器散熱風(fēng)機(jī)位于頂部，熱風(fēng)通過引流風(fēng)道從兆瓦房兩側(cè)吹出[2]。逆變器散熱風(fēng)機(jī)控制邏輯是采集模塊散熱器基板溫度，若超過55 ℃起風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)起來后會持續(xù)運行至少30 min，逆變器停止工作后，散熱風(fēng)機(jī)停止工作。

分別在逆變器內(nèi)部上部模塊電容處、逆變器外側(cè)進(jìn)風(fēng)口和兆瓦房外側(cè)進(jìn)風(fēng)口布置溫濕度傳感器如圖5所示，并以5 min為間隔采集記錄一組溫度與相對濕度數(shù)據(jù)，測試時間跨度為48 h。通過對比數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)第二天外部環(huán)境濕度明顯大于第一天溫度，但內(nèi)部相對濕度變化差異不大。

圖4 兆瓦房內(nèi)部布局

圖5 溫濕度傳感器布置部位

1.2 溫度數(shù)據(jù)

相鄰兩天之間，在兆瓦房外界環(huán)境溫度變化差異達(dá)到8 ℃左右，逆變器周圍溫度差異在3 ℃左右，電容周圍也在2～3 ℃左右，具體數(shù)據(jù)如圖6所示。

1.3 濕度數(shù)據(jù)

相鄰兩天之間，在兆瓦房外界環(huán)境相對濕度變化接近18 %的情況下，逆變器周圍和電容周圍環(huán)境相對濕度差異在5～10 %左右，說明兆瓦房對內(nèi)部逆變器環(huán)境濕度變化具有抑制作用，即使在外界相對濕度也接近100 %情況下，逆變器內(nèi)部電容周圍相對濕度維持在較低水平，具體數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 不同部位溫度變化曲線

圖7 不同部位相對濕度變化曲線

2 數(shù)據(jù)分析

考慮到兩天之間數(shù)據(jù)基本趨勢基本一致，截取第一天的數(shù)據(jù)詳細(xì)分析如下：

2.1 溫度數(shù)據(jù)及分析

兆瓦房內(nèi)兩臺逆變器內(nèi)部相同位置電容環(huán)溫數(shù)據(jù)變化如圖8所示，通過數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)兩逆變器內(nèi)部相同位置電容環(huán)溫基本一致，變化趨勢也一致，電容環(huán)溫最高接近45 ℃，時間是18點左右（并不是發(fā)電量最大的中午），最低夜間仍有22 ℃左右，時間是上午8點左右，主要是受兆瓦房保溫以及內(nèi)部電抗器的余熱逐步排放所致。

選取1號逆變器相關(guān)各處溫度情況如圖9所示，有如下規(guī)律：

圖8 同一兆瓦房內(nèi)兩臺逆變器內(nèi)電容環(huán)溫

1）在上午8:30左右到下午16:30左右時間段，也就是逆變器主要工作期間（逆變器起機(jī)時間點應(yīng)該比8:30更早一點，停機(jī)時間比16:30更晚一點，在第四條說明）逆變器進(jìn)風(fēng)口溫度略低于外部兆瓦房進(jìn)風(fēng)口，最大偏差2.2 ℃，與現(xiàn)場人體感覺一致。

2）在16:30左右到上午8:30左右的夜間時間段，兆瓦房內(nèi)部溫度一直高于外部環(huán)境溫度，最大相差7～8 ℃左右，在下午4:30到18:30左右，兆瓦房內(nèi)部環(huán)溫開始較快升溫到整天最高的28 ℃左右，電容環(huán)境溫度也快速升高到達(dá)全天最高溫度44 ℃左右，電容處大概是2h內(nèi)溫升20 k左右。外部環(huán)境由于16:30后逐步入夜，溫度是逐漸下降直至第二天早上8:30左右。

3）在18:30以后由于電抗器余熱釋放逐步減小，外界環(huán)境溫度也逐步下降，電容周圍環(huán)溫與兆瓦房內(nèi)部環(huán)境溫度開始逐步下降直至第二天上午8:30左右，然后重新開始循環(huán)。說明兆瓦房內(nèi)部和逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度停機(jī)后受余熱影響大，兆瓦房整體具有保溫功能。

4）逆變器的實際起機(jī)和停機(jī)時間應(yīng)該是溫度數(shù)據(jù)存在較大鋸齒波動時間段，大概為早上7點左右，因為此時功率較小，電容處明顯有溫度上升變化，但此時不足以觸發(fā)散熱風(fēng)機(jī)工作，故在7:00到8:30之間存在，風(fēng)機(jī)反復(fù)啟停，造成電容周圍環(huán)境溫度周期性波動，變化周期大約為30 min，停機(jī)過程也存在這個風(fēng)機(jī)循環(huán)啟停過程，只是波動幅值相對起機(jī)較小，具體為圖中框出區(qū)域。

5）全天電容環(huán)境溫升（相對逆變器周圍環(huán)境溫度）最大值在下午18:30點左右，溫升值約17 K左右，此時處于停機(jī)狀態(tài)，電容本身無電流不發(fā)熱。

6）綜合上述分析發(fā)現(xiàn)通過合理控制停機(jī)過程散熱風(fēng)機(jī)停止時間點、風(fēng)機(jī)啟動后最小持續(xù)時間以及觸發(fā)散熱風(fēng)機(jī)啟動散熱器基板溫度閥值，可實現(xiàn)逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度的人為調(diào)控。

2.2 濕度數(shù)據(jù)及分析

同一兆瓦房內(nèi)兩逆變器內(nèi)部相同位置電容環(huán)境相對濕度如圖10所示，通過數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)兩逆變器內(nèi)部相同位置電容環(huán)境相對濕度本一致，變化趨勢也一致，電容環(huán)境相對濕度最高接近60 %，時間是上午8:30～10:30之間，電容環(huán)境相對濕度最低為28 %左右，時間是下午16:30左右。

圖9 逆變器24 H內(nèi)溫度變化趨勢

圖10 同一兆瓦房內(nèi)兩臺逆變器內(nèi)電容環(huán)溫

選取1號逆變器相關(guān)各處相對濕度情況如圖11所示，有如下規(guī)律：

1）由于外部環(huán)境特點，兆瓦房外相對濕度在這個季節(jié)仍舊有最高85 %左右（第二天接近100 %的情況）。

2）在夜間外部環(huán)境相對濕度大的時間段內(nèi)，兆瓦房內(nèi)逆變器周圍相對濕度是低于外部環(huán)境濕度的，差異在10～20 %之間，主要是逆變器余熱持續(xù)散發(fā)（主要是逆變器的電抗器、散熱器等熱容量比較大的部件）導(dǎo)致兆瓦房內(nèi)部環(huán)境溫度高于外部，使得相對濕度降低，且夜間風(fēng)機(jī)不工作，空氣交換量也很小，外界濕度對內(nèi)部影響有限。在8:30到16:40區(qū)域內(nèi)，也就是逆變器工作時間段內(nèi)逆變器環(huán)境相對濕度略高于外部環(huán)境相對濕度，主要是外部環(huán)境溫度也上升，相對濕度變小，根據(jù)前面分析結(jié)果此時間段內(nèi)兆瓦房內(nèi)部溫度略高于外部。

3）電容周圍環(huán)境相對濕度顯著低于柜體外部，尤其是夜間差異在20～30 %，白天工作時間段差異在10～15 %左右，主要是受溫度變化影響，因為從前面溫度分析可知，停機(jī)初期電抗器余熱使得電容環(huán)溫急速上升，在此時間內(nèi)也迅速拉開了電容環(huán)境相對濕度與逆變器環(huán)境相對濕度。

4）在白天主要工作時間段內(nèi)，三個部位的相對濕度差異明顯小于晚間，主要是白天三個部位溫度差異也明顯小于夜間，此外白天風(fēng)機(jī)啟動工作，空氣流動大，環(huán)境溫度與濕度有強(qiáng)耦合關(guān)系。

5）由于兆瓦房保溫與內(nèi)部持續(xù)散發(fā)余熱，使得逆變器內(nèi)部相對濕度維持在60 %以下。

6）綜合上述分析發(fā)現(xiàn)通過合理控制停機(jī)過程散熱風(fēng)機(jī)停止時間點、風(fēng)機(jī)啟動后最小持續(xù)時間以及觸發(fā)散熱風(fēng)機(jī)啟動散熱器基板溫度閥值，可實現(xiàn)逆變器內(nèi)部器件余熱緩慢自由散發(fā)而維持內(nèi)部相對濕度處于較低狀態(tài)，達(dá)到人為調(diào)控的目標(biāo)。

圖11 逆變器24 H內(nèi)溫度變化趨勢

2.3 溫度與濕度耦合關(guān)系分析

逆變器內(nèi)部電容周圍環(huán)境溫度與相對濕度存在耦合現(xiàn)象如圖12所示，溫、濕度數(shù)據(jù)有負(fù)相關(guān)關(guān)系，符合相對濕度的自然屬性，從波動周期來看與對風(fēng)機(jī)的控制邏輯參數(shù)也吻合一致，16:30左右隨著內(nèi)部溫度的急劇溫度上升，相對濕度急劇下降，降低夜間逆變器內(nèi)部凝露的可能性[3]。

從下午4:30到18:30左右，電容環(huán)境溫度快速升高到達(dá)全天最高溫度44 ℃左右，電容處大概是2 h內(nèi)溫度變化20 k左右，在此時間段內(nèi)，電容相對濕度從53 %快速下降到28 %左右。

逆變器周圍環(huán)境溫度與相對濕度也存在耦合現(xiàn)象如圖13所示，在18:30左右，逆變器內(nèi)部溫度達(dá)到全天最高值30 ℃左右，相對濕度為全天最低值54 %左右。在上午8:30左右，兆瓦房內(nèi)部環(huán)境溫度達(dá)到最低值19 ℃左右，相對濕度達(dá)到最高值75 %，在這兩個時間點之間溫、濕度都是連續(xù)平緩變化。在停機(jī)、開機(jī)溫度波動時相對濕度有小范圍跟隨波動。

圖12 逆變器內(nèi)部電容周圍環(huán)境溫度與濕度關(guān)系曲線

圖13 逆變器周圍環(huán)境溫度與濕度關(guān)系曲線

圖14 兆瓦房周圍環(huán)境溫度與濕度關(guān)系曲線

圖15 電容環(huán)境溫度與露點溫度差值曲線

兆瓦房周圍環(huán)境溫度與相對濕度存在耦合現(xiàn)象如圖14所示，外部環(huán)境溫濕度主要受自然環(huán)境影響，整體的濕度還是非常高的，尤其是從附錄所列兩天完整數(shù)據(jù)來看，外界環(huán)境濕度在冬季夜間也有接近100 %。外界環(huán)境溫度變化范圍為18～24 ℃之間。相對濕度為55～85 %之間，從第二天的數(shù)據(jù)來看為50～99 %之間。

2.4 凝露風(fēng)險分析

對比電容環(huán)境溫度與露點溫度差值如圖15所示，基本都在10 ℃以上，所以逆變器內(nèi)部電抗器整夜的余熱釋放和兆瓦房的保溫作用，即使在相對濕度比較大的應(yīng)用環(huán)境下，柜內(nèi)基本不會有凝露的風(fēng)險，柜內(nèi)的濕度控制在比較低的范圍內(nèi)，這也解釋了在高濕環(huán)境下長時間應(yīng)用后，柜內(nèi)鈑金件表面仍然光亮如新，并沒有腐蝕情況的發(fā)生[4,5]。

3 結(jié)論

本文測試并分析了高濕地區(qū)變流產(chǎn)品運行環(huán)境溫、濕度數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)具有保溫作用的兆瓦房對內(nèi)部變流器具有抑制相對濕度變化的作用，提出可通過合理控制停機(jī)過程散熱風(fēng)機(jī)停止時間點、風(fēng)機(jī)啟動后最小持續(xù)時間以及觸發(fā)散熱風(fēng)機(jī)啟動散熱器基板溫度閥值，實現(xiàn)逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度和濕度的低成本調(diào)控，實現(xiàn)高濕地區(qū)逆變器的防凝露的功能，確保變流產(chǎn)品在高濕地區(qū)長期應(yīng)用也不會因濕度造成腐蝕和絕緣降低等問題。