變流器系統的正常運行,離不開輔助電源的穩定工作。如果電源不正常,則變流器的控制功能不能執行,功率器件的驅動電路不能正常工作,各種保護系統也不能穩定可靠地運行。
現在變流器使用的電源,多為專業電源制造商提供的模塊電源,可靠性高,運行穩定。高海拔地區的空氣稀薄,影響模塊電源的散熱,電源輸出能力需要降容。
對于400V/230V 輸入、24V 輸出的模塊電源,輸出電流在10A 以下,在4000m 海拔使用時,一些廠家建議電源輸出能力需降至原來的80% ;輸出能力在10A 到20A 的,一些廠家建議電源輸出能力需降至原來的75% ;而輸出能力在20A 以上的,一些廠家則建議電源輸出能力需降至原來的70%。對于高輸入電壓的電源,在高海拔使用時,還需要降低其輸入電壓。
變流器電源的可靠穩定運行是變流器可靠穩定運行的前提,在高海拔使用時,需要對電源的輸出能力進行校核,按照廠家指導進行降容,必要時,選擇容量更大、輸入電壓更高的電源。
3.3 電抗器
電抗器具有銅損和鐵損,是發熱量大的部件,常常需要強迫風冷或水冷。兆瓦級風電機組的電抗器由于功率較大,較重,不易更換,因此對可靠性要求特別高。在高海拔地區空氣稀薄,致使其散熱性能降低。參考國標《1094.11 電力變壓器 第11 部分 干式變壓器》,海拔每升高1000m,干式變壓器類產品的溫升限值需要降低10% ;國外的電抗器類產品使用說明中,也明確提到,海拔每升高1000m,需要降容10%(例如ABB 出品的電抗器FOCH0610-70)。
高海拔地區,電抗器需要降容使用的癥結在于散熱性能降低,如果通過加強散熱,電抗器就不需降容使用。
電抗器在高海拔地區使用時,應根據實際海拔高度,在不改變散熱條件的情況下,按照海拔每升高1000m,降容10% 的標準來進行降容使用;如果電抗器周圍環境溫度超過使用規定(一般為50℃),也可以通過加強電抗器的散熱,使其在不降容的情況下,安全穩定地工作。通常從電抗器使用壽命角度考慮,工作溫升小于設計的絕緣等級以下10℃左右,一般情況下不需要降容使用。
3.4 散熱風扇
高海拔地區空氣稀薄,風扇在同樣轉速下,所產生的散熱效果下降,風對風扇的阻力變小,因此,風扇的轉速會有所增加。
通過散熱風扇廠家的多次試驗,發現風扇轉速隨海拔升高而增加,但增加不明顯(4000m 海拔下的轉速相對于1000m 海拔下的轉速,只增加了約7%),而散熱能力下降的幅度卻很大。通過多次聯合試驗,發現在4000m 海拔情況下,相對于1000m 海拔下的散熱能力,同樣風扇在同樣的電壓下,散熱能力下降了近30%。
因此,在高海拔使用時,為了產生同樣的冷卻量,風扇的風量需要大幅增加,其增加的幅度應該根據環境溫度和海拔高度而定,海拔高度每升高1000 米,風扇風量至少增加10%。
4 高海拔對半導體功率器件的影響
20 世紀90 年代初,功率器件的一種失效模式逐漸清晰起來,這種失效模式影響各種功率器件,如整流管、晶閘管、GTO、IGCT、IGBT, 這種失效模式就是宇宙射線失效模式。宇宙射線的失效率與器件工作的海拔高度密切相關,其引起的失效率隨海拔的升高而迅速增大。對于該失效模式,ABB 公司給出了符合統計學規律的數學表達式:
λ 的單位為FIT(1FIT 表示平均1×109 元件小時,有1 次失效),C1、C2、C3 是與功率器件強烈相關的參數,主要由器件本身決定,而VDC 則是器件工作的直流電壓,當器件工作電壓低于C1 時,認為由于宇宙射線造成的失效率可以忽略;h 表示器件工作位置的海拔高度,海拔高度越高,則相同情況下,宇宙射線引起器件失效的幾率越大;Tvj 表示器件工作的結溫。通過該表達式,可以計算出,在4000m海拔高度時,同樣電壓下,單個功率器件的宇宙射線失效率增加了16 倍。