摘要：SL1500型风电机组毛絮极易吸附在散热器上，一个星期左右就可以将散热器堵死，导致机组频繁因齿轮箱油温高温限功率甚至故障停机，并且引起机舱内温度升高，造成机组较大的发电量损失，并且降低了机组可利用率。
华锐风机所有的配电柜、变频柜都设置在机舱内，夏季遭遇大风天发热量非常大，机舱内温度接近50度。因控制柜、齿轮箱散热器的散热是通过与机舱内的空气进行热交换，所以当机舱内温度无法下降时直接影响散热器和控制柜的降温，造成所有的器件处于高温状态，会造成机组限功率运行，甚至引发各类高温故障。
华锐风机配电柜、控制柜、变频柜均整齐排列在机舱内，控制柜顶部还放置UPS柜。配电柜与变频柜两侧安装有水冷散热器，通过散热器进行散热。控制柜与配电柜之间由风扇将两个柜子的空气循环进行散热。在夏季高温时，水冷散热器的温度常在45度左右，控制柜内温度更是长期保持在50度左右，PLC模块和UPS所处的顶部温度更高达到近60度，温度高不仅导致PLC模块死机，还影响PLC模块和UPS的寿命，当电池温度超过 25℃时，温度每上升10℃，电池寿命降低一半。
针对此情况，制定此控制柜改造方案，配合原有冷却系统，在310柜左侧控制柜门上下分别开孔并加装轴流风扇，上端向外排风，下端向柜内吸风，形成对流达到降低柜内温度的效果。
关键词：风力发电机；毛絮治理；控制柜降温；空气循环
1引言
国华黄骅风电场位于渤海湾滩涂地带，一、二期安装有66台华锐SL1500型风电机组。目前所存在的问题，黄骅风电场每年4月至5月，周边环境毛絮肆虐，因为温度逐渐回升，齿轮箱散热器长时间处于工作状态，毛絮极易吸附在散热器滤网上，一个星期左右就可以将散热器堵死，导致机组频繁因齿轮箱油温高温限功率甚至故障停机，并且引起机舱内温度升高，造成机组较大的发电量损失，并且降低了机组可利用率。每年4月至5月检修人员都需要反复登机清理，工作量极大，也只是能够缓解；由此制定整改措施减少毛絮进入机舱，增加装置能够自动清理毛絮，减少人员爬塔次数，降低劳动强度，保障机组发电量与可利用率。
华锐风机所有的配电柜、变频柜都设置在机舱内，夏季遭遇大风天发热量非常大，机舱内温度接近50度。因控制柜、齿轮箱散热器的散热是通过与机舱内的空气进行热交换，所以当机舱内温度无法下降时直接影响散热器和控制柜的降温，造成所有的器件处于高温状态，会造成机组限功率运行，甚至引发各类高温故障。
华锐风机配电柜、控制柜、变频柜均整齐排列在机舱内，控制柜顶部还放置UPS柜。配电柜与变频柜两侧安装有水冷散热器，通过散热器进行散热。控制柜与配电柜之间由风扇将两个柜子的空气循环进行散热。在夏季高温时，水冷散热器的温度常在45度左右，控制柜内温度更是长期保持在50度左右，PLC模块和UPS所处的顶部温度更高达到近60度，温度高不仅导致PLC模块死机，还影响PLC模块和UPS的寿命，当电池温度超过 25℃时，温度每上升10℃，电池寿命降低一半。
针对此情况，制定此控制柜改造方案，配合原有冷却系统，在310柜左侧控制柜门上下分别开孔并加装轴流风扇，上端向外排风，下端向柜内吸风，形成对流达到降低柜内温度的效果。
2研究现状
目前国内主流机组上海电气、远景机组已经大量使用毛刷进行机舱密封，防止毛絮等进入机舱内部，密封效果明显；其他主流机组东汽、华创等机组均存在油冷散热器积聚毛絮问题，解决的办法有两种，一是用高压水枪，人工进行清理；二是在散热器底部加装滤网，但滤网底部积聚毛絮后，也需要定期对滤网进行清理或更换滤网。经过多次的清洗和维护依然不能从根本上解决油温高自动限功率问题。
3毛絮治理方案
对型风电机组毛絮治理，通过在轮毂、偏航位置加装毛刷，散热器自动清理和散热风扇反吹。具体内容和方案如下：
1、轮毂、偏航位置加装毛刷
对于毛絮进入机舱，堵塞散热器这个季节性问题，计划采用“堵”“清”的办法，机舱罩与轮毂罩之间有空隙，在偏航齿圈的下部机舱底部罩子与塔筒外壁之间有空隙，此空隙是导致毛絮进入机舱内部的重要通道，在此两个位置加装毛刷，毛刷能有效过滤灰尘和毛絮，防止灰尘和毛絮进入机舱内，毛刷固定方式用m10的螺栓与机舱罩固定。
毛刷基材选用尼龙，尼龙基材抗腐蚀性能强，不易断裂；毛刷丝选用尼龙材质，这种材质耐酸碱性比较强，具有比较好的弹性。
2、散热器毛絮堵塞问题处理
油冷散热器自动清理装置对散热器表面的灰尘和毛絮进行清除，通过两个可编程模块分别控制自动清理装置和油冷风扇反吹。每间隔4小时自动对散热器表面堆积的灰尘和毛絮进行清理，清理时间2分钟，间隔时间可调。自动清理装置工作时，油冷风扇反吹模块同时工作，降低灰尘在散热器上的附着力，使清理更加彻底。
2.1、自动清理装置
在散热器底部安装毛刷或刮片，往复式电机带动毛刷紧贴散热器底部运动，每间隔四小时刮片清理2分钟，与油冷散热器反吹相配合将散热器底部堆积的毛絮和灰尘等清理干净。
图1：电路方框图
图2：机械结构图
2.2油冷散热器反吹
使油冷风扇具备反吹功能后，即每间隔四小时风扇反吹一次，依靠风的作用力，及时将附着在散热器上的灰尘、柳絮等吹离散热器，时刻保持散热器空气通道畅通，配合自动清理装置，保持散热器清洁，使散热器不因堵塞造成油温高自动限功率问题。
在原有风扇主回路中增加一个控制模块和两个接触器实现风扇反吹功能。模块的两个输出口分别控制接触器K153.6.1和K153.6.2，两个接触器分别安装一个常闭辅助触点，两个接触器形成互锁，接触器K1536.1控制风扇电机正转，接触器K1536.2控制电机反转。
模块的DO口的梯形图（时序图）如下图所示：
图3 模块的DO口的梯形图（时序图）
图4 油冷风扇反吹电路原理图
效率计算
电动机输入功率P1= 1.732*U*I*COSΦ
如下图所示线电流I=4.71A，线电压U=380V，功率因数=0.81
电机输入功率P1=1.732*380*4.71*0.81=2511W
电机输出功率P2=P1*η=2511*0.9=2259W
电机反转时电机功率一般为正转的0.5倍左右，我们选择0.4倍。
P（电机反转功率）=P2×0.4=2259×0.4=904W
通过时间的比值得出此种方式电机的效率32529600 1108480
带反吹方式时电机二小时消耗电量X反=P2×14400S+ P反转×120S= 32638080W.S
不带反吹只有正转时电机消耗功率X正= P2×（14600S）=32981400W.S
电机反吹后的效率η反=X反/X正=0.9895。
电机带反吹时是风扇正常运行效率的98.95％，风扇反转运行基本不影响油冷散热的正常工作。
4控制柜降温方案
控制柜降温一般有三种方式：分别是风扇、空调和热交换器
4.1、风扇
风扇（过滤风扇）特别适用于经济的排出高热负载。只有在柜内温度高于环境温度时，使用风扇（过滤风扇）才是有效的。因为热空气比冷空气轻，柜内空气流向应当是由下往上，因此，通常情况下，应在柜体的前门或者侧壁板的下方作为进气口，上方作为排气口。如果工作现场的环境比较理想，没有粉尘、油雾、水汽等影响柜内的各元器件正常工作的，可采用进气口装风扇（轴流风机），排气口有可能的话加装一装饰板，进气口为了安全和美观，可以在外面加装一风机装饰板。风扇（过滤风扇）是使用最普遍的方法。
4.2、空调
风扇适用于柜内温度高于环境温度，但是当环境温度高于柜内温度或者环境温度高于柜内要求的温度（一般为35℃）时，那就应该考虑使用工业空调器了。还有当柜内外空气循环要求隔绝时，也应该考虑使用工业空调器。空调采用压缩机制冷原理进行强力制冷，实现对电气控制柜内部温度的恒温控制，由于柜内外空气循环相互隔绝，故可以有效地防止有害、潮湿的气体及粉尘进入柜内。空调按照其安装方式，一般可以分为：壁挂式（侧装式、嵌入式及柜内架装式）和顶装式。空调的选型也是根据柜内温度与环境温度的差值以及柜内热损耗，从而确定空调所需要的制冷量来选取。
4.3、热交换器
当柜内外空气循环要求隔绝时，还可以考虑使用热交换器。热交换器按照其冷却介质，一般可以分为：空气/空气热交换器（冷却介质为空气）、空气/水热交换器（冷却介质为水）。它们按安装方式，均可分为：壁挂式和顶装式。空气/空气热交换器有两个相互隔离的空气流动空间，一个与电气控制柜相通，另一个与外部空间相通，柜内的热空气被吸入热交换器内，热空气的热量通过散热片由热管传到热交换器的另一端，然后通过外部空气的流动将热量排到大气中。使用这种热交换器的前提条件是环境温度必须低于柜内温度。
基于现场控制柜的实际使用工况，我们选择过滤风扇进行散热，具体方案是在NCC310控制柜左侧柜门上下分别开孔加装轴流风扇，上端向外排风，下端向柜内吸风，形成对流降低柜内温度。如下图：
图5 风扇安装位置示意图
图6 风扇电路原理图
4.4风扇选型
4.4.1机组现有风扇冷却系统散热能力计算：
风扇选型也是根据柜内温度与环境温度的差值以及柜内热损耗，从而确定风扇所需要的散热量来选取的，现在一般都是按照德国威图公司提供的经验公式来选取的。其计算如下：
QE=QV- KXAXΔT
式中：QE---- 总的散热量（W）；
QV---- 柜内元器件总的热损耗（W）；
K ---- 热传导系数（W/m2K），其值根据柜体材料不同而不同，一般来说，钢板为5.5，
铝板为11，塑料为0.3；
A ---- 柜体实际散热面积（m2），柜体的安装方式对柜体的散热有较大影响，威图提供
了如下几种典型安装方式的散热面积的计算：
（宽= 柜体宽，高= 柜体高，深= 柜体深）
1．单个柜体，四周有空：A=1.8X 高X（宽+ 深）+1.4X 宽X 深
2．单个柜体，用于壁装：A=1.4X 宽X（高+ 深）+1.8X 深X 高
3．起始或终端柜体，四周有空：A=1.4X 宽X（高+ 深）+1.8X 宽X高
4．起始或终端柜体，用于壁装：A=1.4X 高X（宽+ 深）+1.4X 宽X深
5．位于中间的柜体，四周有空：A=1.8X 宽X 高+1.4X 宽X 深+ 深X高
6．位于中间的柜体，用于壁装：A=1.4X 宽X（高+ 深）+ 深X高
7．位于中间的柜体，用于壁装，顶部覆盖：A=1.4X 宽X 高+0.7X 宽X 深+深X 高
ΔT ---- 柜体内外的温差，柜体内部的温度（一般为35℃）减去柜体外面的温度（即
工作现场的环境温度）。
a）散热功率计算
NCC310柜散热风扇的选型依据是柜内温度与环境的温度的差值及控制柜尺寸计算。
根据威图计算公式：QE=QV- KXAXΔT
其中：A（㎡）为柜体散热面积
由于NCC310柜位于两个柜体中间，根据组合控制柜散热面积A（㎡）的计算公式：
其中：H为柜体高度、D为柜体深度、W为柜体的宽度
K为热传导系数（W/㎡K），由于机组变频柜采用不锈钢板材质，因此热传导系数为5.5 W/㎡K。
∆T为柜体内外温度差，柜体内部温度我们选择控制柜允许工作的最高温度55℃，柜体外部温度为35℃，
即柜体内外温度差∆T=20℃。
因此依据计算公式，华锐1.5MW机组机舱NCC310柜需要散热功率结果如下表所示：
b）NCC310柜内电气元件发热功率
查询设计资料得知，柜体内发热电气元件的发热功率QV=873W
c）风扇选型步骤
根据公式QE=QV- KXAXΔT=873W-478W=395W
根据图1，找到散热能力F值对应的横线；找到温差值对应的斜线；两条线的交叉点延伸垂线到横坐标，此值就是你所要确定的初步风量Fc。
修正初步风量值，确定F：①海拔1000米以下：F=Fc；②海拔1000米至2000米：F=1.3Fc；③海拔2000米以上：F=1.6Fc；④其他相对密闭场合：F=2-3Fc。
根据所需散热能力从图表中找到∆T=20℃，可知风扇散热能力是F=70m3/h，由于塔筒内部属于密闭空间，我们选择最大修正值F=3Fc=210m3/h，柜内还有其他的发热元件，例如继电器，电源等，这里未做精准计算，但这里已经做好3倍的冗余，初步预计满足散热能力的要求。
图1：风扇风量选型表
4.2风扇选型设计：
根据风扇选型计算我们知道在现有散热能力基础上还需要210m3/h风量，由于目前现场控制柜内部风扇由于功率不足、易损坏等原因，不能有效的保证风机良态运行，严重时影响现场生产，处理起来有效的手段较少且效果不明显，同时风扇服役年限到期，存在风扇轴承损坏，运转卡涩等问题，我们计划再现有基础上增加两个轴流风扇，一个是进气风扇，一个是排气风扇，根据下表技术参数，满足设计要求。
轴流风扇参数如下表：
图7 实际风扇安装位置图
5结论
通过在轮毂、偏航位置加装毛刷，油冷散热器毛絮堵塞问题处理和控制柜降温等方法来达到防止散热器堵塞与控制柜内部降温的效果。防止机组因毛絮堵塞散热器导致齿轮箱油温高限功率甚至故障停机和柜内持续高温造成的柜内元器件频繁损坏等情况，达到机组发电量、可利用率提升减少经济损失的目的。
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论文作者:殷宗林
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/17
标签：柜内论文; 风扇论文; 散热器论文; 热交换器论文; 温度论文; 机舱论文; 反吹论文; 《电力设备》2018年第33期论文;