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分析:变频器凝露的形成、危害及预防措施

http://www.bpq.hc360.com2015年07月29日10:04 来源:慧聪变频器网T|T

    随着我国经济、社会和科学技术的高速发展,我国各行各业广泛的应用着大量的变频器。由于应用领域广泛,加之我国幅员辽阔,势必有大量的变频器工作在潮湿的环境之中,比如安装在我国潮湿多雨的沿海地区和南方地区的变频器、或安装在江湖和潮湿山地附近的风电机组变频器、或工作在河流、湖泊和海边的变频器装置。

    受空气湿度的影响,一旦工作环境温度产生较大变化,就有可能导致变频器出现凝露现象,使得其内部功率器件、电路板等部位产生一定量的液态水,在与变频器内部积累的灰尘混合后,就会对变频器的电气绝缘造成严重的影响,严重的还会产生通路,导致变频器出现故障,影响正常的运行。

    举例而言,液态水附着于功率器件散热板之上,会导致IGBT的栅极和漏极之间形成通路,并严重破坏IGBT的栅极,导致IGBT失去正常功能;再比如液态水附着于电路板之上,会导致相应端子出现短路现象,进而造成脉冲混乱,严重的还会导致桥间短路等故障现象的出现。

    通过上述介绍,可以发现凝露现象会严重影响和威胁变频器的正常稳定运行,一旦变频器工作于潮湿的环境之中,就一定要采取正确的措施来预防和消除凝露现象。

    一、凝露的形成及其对变频器产生的危害

    自然条件下的空气,是由少量尘埃、水汽以及绝干空气所组成。空气所能够容纳的水汽与环境温度成正比,即环境温度越高,空气就能够容纳更多数量的水汽。而所谓的露点温度,是指特定湿度空气出现凝露现象的最高温度。

    在较高温度下包容在空气中的水汽,由于温度的下降,会使得无法继续容纳于空气中的水汽,通过液态水的形式析出。如果湿度较大且温度相对较高的空气,碰到温度相对较低(低于该条件下空气的露点温度)的变频器的固态表面,就会产生凝露现象,进而在变频器相关部件的表面产生一定量的液态水。

    当液态水与变频器内部的灰尘混合后,会产生相应的导电通道,进而对变频器的电气绝缘造成影响,使得本该不导电的区域转换为正常导电的区域。

    举例来说,一旦混合了灰尘凝露附着于IGBT功率器件的表面,会导致IGBT的栅极和漏极之间形成通路,严重破坏IGBT的栅极,导致IGBT失去正常功能;又比如混合了灰尘凝露附着于控制电路板之上,会使得电路板产生原本不存在的导电通道,导致逻辑脉冲出现混乱,进而产生电源短路、电子元器件失效等故障。

    尽管部分电路板进行了相应的涂覆处理,但由于质量和盲点等因素的影响,总会在某些元器件的底部、电路连接处等部分产生凝露现象。

    二、凝露的消除方法

    通过对温差和湿度等凝露形成条件的破坏,可以起到从根本上消除凝露现象发生的目的。破坏了任何一个形成条件,变频器都不会出现凝露现象。

    目前,较为通行和常用的凝露消除方法有:温度控制法和湿度控制法,前者旨在降低相对温度,而后者旨在降低相对湿度。

    1)温度控制

    阻止凝露的形成,可以通过破坏温差这一凝露形成条件来实现。由于变频器柜体内部相对封闭,若可以让柜体温度始终高于露点温度,就不会产生凝露。

    受该思想的影响,现阶段主要有两种温度控制方案:

    第一种方案包括通风口和加热器等。一般情况下通风口都设置了过滤器,不仅能够杜绝大量灰尘进入变频器内部,而且还能够确保IP防护等级。该方案的主要要点在于一旦湿度过大即开始加热,温度提升时就加大通风。在湿度超过预先设定的数值时,促发加热动作,提高变频器内部温度,进而有效控制相对湿度条件,在温度达到预先设定的阀值之后,起动通风,从而使得变频器内部进入一定量的外部新风,从而确保变频器内外始终保持一致的空气相对湿度,温度始终保持在正常的范围之内。一般情况下,当温度超过40℃就起动通风系统,相对湿度超过80%就起动加热器。

    第二种方案的主要思路为:变频器内部冷却能力相对可控,确保柜内温度始终保持在一定的范围之内,当湿度超过阀值,就降低变频器的散热能力,通过变频器所产生的功耗来提高变频器柜内温度,从而杜绝凝露现象的出现;当温度超过阀值,就提高散热能力,杜绝温度过高影响变频器的正常运行。该方案下的变频器柜体大多采用的是完全密封的形式,有效杜绝了盐雾、有害气体和灰尘进入柜体内部,便于变频器长期、可靠和正常的运行。

    2)湿度控制

    通过减少水汽含量,有效降低空气相对湿度,从而杜绝凝露现象的产生。主要包括以下三种方案:温差除湿法、吸附及膜式除湿法和冷凝除湿法。

    温差除湿法:在变频器内部安装有利于凝露的散热器,从而使得凝露仅形成于该散热器之上,从而不会在变频器内部其他部位形成凝露,散热器上形成的冷凝水通过出口向外排出,以便确保柜内始终保持相对干燥的环境。

    吸附及膜式除湿法:在变频器柜内设置相应的吸附材料来起到水汽吸附的目的,确保柜内始终保持相对干燥的环境;也可以通过膜过滤器的设置,来起到阻隔水汽的目的,只让干空气通过过滤器,使变频器内部只流入相对干燥的空气。

    冷凝除湿法:在变频器内部设置温度最低点,使得凝露仅产生于该处,从而有效降低变频器内部的相对湿度,使得变频器内部始终保持相对干燥的环境。

    三、现实案例分析

    笔者在工作中曾遇到某型变压器由于受潮湿空气影响,造成其在工作过程中,功率模块产生击穿烧毁的事故。笔者接下来会在描述故障现象的基础上,分析原因,并提出相应的防范措施。

    1)事故描述

    在发现变频器无法正常运行之后,打开整流柜面板,看到R相的缓冲电容和IGBT被烧毁炸裂,且触发线被完全烧坏,IGBT和缓冲电容之间的绝缘纸出现部分烧蚀碳化的现象,IGBT炸裂产生的金属严重烧坏了其下方的5只电解电容,同时直流熔断器被熔断,负极铜排被严重烧坏,母线铜排和固定螺丝被完全熔在一起。调阅报警历史后发现,DCF=1直流保险处于开路状态,并且三相交流进线T相、R相熔断器没有产生任何动作。

    2)事故原因的分析

    由于在上电之前,整流柜要经过大约3秒左右的充电过程,在完成充电之后,通过反馈信号实现主接触器的吸合动作,接着断开充电电阻回路。

    但在操作过程中,合控制电源的同时就产生了短路现象,导致主接触器未能产生吸合动作。事故发生后,检查发现充电回路的充电电阻器和接触器被完全烧坏,从而得出充电过程中就发生短路故障的结论。

    调阅整流柜报警历史后发现,DCF=1直流保险处于开路状态,接触器和充电电阻被烧坏、IGBT击穿、2000A直流熔断器被熔断,从而得出逆变回路未发生短路故障,整流部分出现短路故障的结论。

    通过进一步的现场检查后发现,正负铜排间存在明显的绝缘纸碳化现象,且母排间有明显的爬电迹象,从而得出直流母排间短路的结论。

    事故发生时,所在地已经连续降雨超过半月,空气湿度已超过80%,在事故原因的检查分析过程中,发现柜体内有明显的凝露现象。

    由于该整流柜在事故发生前一直处于停用状态,造成铜排出现结露现象,加之密封的柜内环境下,变频器工作时柜体排风扇才正常运行,难以有效排除柜内的潮湿空气,导致绝缘纸受潮,进而大幅降低了正负电排之间的绝缘能力。

    变频器在充电过程中,因为器件和线路存在的杂散电感的影响,开关瞬间会产生较大的瞬间充电电流,而正负母排会因为较弱的绝缘能力而产生绝缘拉弧现象,母线电压上会叠加电容反馈的巨大电流和短路电流,从而导致IGBT里的PN结出现雪崩电压击穿现象,进而完全失去正常功能、缓冲电容炸裂和IGBT短路炸裂。因为受到瞬间短路电流触头粘连的影响,充电回路接触器会使得充电电容被严重烧坏。

    3)具体防范措施的提出

    凝露产生的三大因素:露点温度、湿度和环境温度的关系曲线具体见下图。

温度湿度凝雾

图1相对湿度、凝露温度和环境温度曲线

    结合现场实际情况和凝露形成条件,笔者提出了以下几条主要的凝露防范措施:

    首先是强化变频器柜体工作环境的温湿度控制,开启室内空调,并将其调整为除湿模式。在正常运行过程中,由于变频器的自身发热,会使得柜内温度要大于外界的环境温度,而一旦变频器停止运行,柜内温度会缓慢降低到相应的露点温度。所以,笔者认为在变频器停止运行的状态下,要相应的降低室内空调的温度设置,避免环境温度高于变频器柜内温度。

    其次在变频器在正常运行过程中,要确保柜内加热器处于停用状态,反之,要确保加热器处于正常运行状态,以便确保环境温度始终低于变频器柜内温度。为实现自动恒温调节的功能,加热器务必使用PTC材料。

    对已有凝露控制器进行改造,并设置3个温度传感器,其装设位置为:2个装设于变频器柜内的相应位置,1个装设在柜外,以便实现柜体温度和柜外环境温度监测的目的。通过确保柜内温度来杜绝凝露条件的产生,从而有效防范凝露现象的出现。

    四、结论

    凝露现象会严重影响变频器的正常运行,笔者所提出的几点预防凝露的措施可以有效降低凝露现象的出现,减少事故发生的几率,确保变频器可以长期、稳定和可靠的运行。

责任编辑:蔡亚微

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