摘要：风力发电机组变流器是价值昂贵的电气设备，当运行于潮湿环境中时，潮湿的空气加速其金属部件和绝缘材料的老化，甚至发生凝露，直接造成绝缘破坏、放电、短路等情况，引发变流器的严重故障。为了保证变流器稳定可靠运行，必须对变流器运行环境的湿度进行控制。文章以风力发电机组SWITCH变流系统为例，研究采用半导体制冷技术提升变流器除湿能力的应用可行性。
关键词：变流系统；凝露；半导体制冷除湿
1引言
风力发电机组SWITCH变流系统安全防护等级为IP55，密封性较好，但在雨雪、大雾等天气潮气仍会缓慢侵入柜内，原有系统除湿能力较弱，因此造成的变流模块损坏率较高，通过对柜体结构、原有除湿工作方式和传统除湿的优缺点进行分析，找到一种适合的除湿设备实施改造，降低变流模块损坏率。
2风力发电机组SWITCH变流系统简介
风力发电机组SWITCH变流系统，采用的是芬兰的The Switch公司的全功率变流器。该变流器采用可控整流的方式把发电机发出的交流电整流为直流电，通过网侧逆变单元把直流电逆变为工频交流电馈入电网。变流器通过法兰将水泵出口的冷却水引至变流器内部，然后通过分流管路将冷却水分别送到中间柜后面的散热器、变频器模块，电抗器冷却单元。冷却水在变流柜内部循环之后，再通过中间柜的出水口把水送回，外界气温低时通过水冷系统的加热器使水温达到20℃以上并通过循环风扇保持柜内温湿度均衡。通过上面的介绍可以看出风力发电机组SWITCH变流系统仅通过后背的散热器维持柜内的温湿度，除湿效果差而且效率低。
3潮湿环境对变流器的危害
当空气相对湿度过大时，电气产品中的有机和无机材料构件由于受潮将增加重量、膨胀、变形，金属结构件腐蚀也会加速[1]。如果绝缘材料选用及工艺处理不当，则绝缘电阻会迅速下降，以致绝缘被击穿。潮湿环境中，非常容易发生凝露，产生液态水，液态水与附着于电气部件表面的尘埃结合，形成了导电的通路。该导电通路破坏了电气绝缘。这严重影响变流器的正常运行。虽然一些变流器系统采用了IP55或以上的防护等级，但这只能减缓外部潮气的侵入。大量运行实例表明，较高的IP防护等级，只能在有限的时间段内保护变流器免受潮气侵蚀；而过高的防护等级，还会带来成本的大幅增加。以某风电场为例，2017年全年共损坏变流器模块6台，其中4台为雨后等潮湿天气损坏。
4传统除湿防凝露方法
传统变流器的除湿防凝露方法，主要是采用加热器、空调和转轮除湿的方法。对于安装加热器除湿防凝露的方法，通常有两种方案，一种方案包括加热器，通风口等。通常通风口装有过滤器，保证IP防护等级，同时也防止过多灰尘进入。该系统正常运行的核心在于湿度过大时加热，温度过高时通风用以降温。当湿度达到一定值时，启动加热，使空气温度升高，由于温度的升高，相对湿度下降；当温度高到某值时，启动通风，外部新风进入变流器柜内部，使柜体内外空气绝对湿度一致，同时保证柜体内温度不至于升到很高而产生不利影响。这种方案一般为风冷变流器所采用。加热除湿的另一种方案如下：变流器的冷却能力可控，保持变流器柜内的温度相对恒定，当湿度过大时，减少散热能力，利用变流器自身的损耗或提高冷却水的温度来使柜内温度升高，从而达到除湿防凝露的目的；当温度高时，加大散热，从而防止温度过高。采用该方案，变流器柜体可以做到完全密封，可以防止灰尘，有害气体及盐雾的进入，有利于变流器的长期运行，该方案一般为水冷散热变流器所采用。
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第二种传统的除湿防凝露方法是给变流器安装空调，空调包含压缩机、冷凝器、蒸发器。潮湿空气的物理特性是哪里温度最低，凝露就率先在哪里发生。如果能在变流器柜内部始终制造一个温度最低点，让水汽在该处冷凝，排出柜外，那么变流器柜内湿度就得到降低，再将经过冷凝处理的空气的温度升高，其相对湿度必然下降，能够使变流器保持干燥。空调制冷是利用被压缩的制冷剂通过蒸发器发生膨胀时吸热的原理，在蒸发器上产生较低的温度点，空调除湿系统容易出现压缩机故障及制冷剂泄露等问题，但是制冷除湿效率高。
第三种传统除湿防凝露方法是给变流器安装转轮除湿机，转轮除湿机由吸附转轮、转轮驱动电机、再生加热器、处理风机、再生风机、空气过滤器和电控部分组成。作为转轮吸附式除湿机，其主要部件是除湿转轮，转轮由吸湿介质材料组成，转轮是一种特殊的蜂窝结构，具有等距的、平行的、均一的空气通道。转轮在除湿机内部分为处理区域和再生区域，除湿转轮以8~10转/小时的速度缓慢旋转，以保证整个除湿为一个连续的过程。当处理空气通过转轮的处理区域时，其中的水蒸汽被转轮中的吸湿介质所吸附，水蒸气同时发生相变，变为液态水，并释放出潜热；这时，处理空气因自身的水份减少而变成干空气；之后，处理空气由处理风机送出，变成干的、热的空气。 同时，在再生区域，另一路空气先经过再生加热器后，变成高温空气（一般为100~140度）并穿过吸湿后的转轮，使转轮中已吸附的水份蒸发，从而再生空气因水份的蒸发而变成湿空气，同时温度下降；之后，再通过再生风机将湿空气排除到室外。将转轮除湿机产生的干空气通入到变流器柜体内，湿空气从另一头排出，保证变流器始终工作在较干燥的环境中。转轮除湿机结构简单，可靠性高，能耗低，但体积较大、造价高。
传统除湿防凝露方法均存在一些不足，加热除湿将使变流器长期处于高温高湿的环境中，带来一些新的问题；空调冷凝除湿能取得较好效果，但是空调占用空间大，能耗高，当空气温度较高时，空调除湿效果很差，使用寿命也较低；转轮除湿体积较大、造价高。
5半导体制冷除湿防凝露方法的特点
半导体制冷除湿是基于半导体珀尔贴效应的空调 [2]，当电流流过时，在一边产生热量，而另一边制冷。主动将密闭空间的潮湿空气在风扇的作用下吸入除湿风道，空气中的水汽经过半导体制冷机构后冷凝成水，再通过导水管排出柜体，可以达到很好的除湿效果。通过减低空气中含水量，使相对湿度和绝对湿度同时下降，几乎不提高温度，不产生温差带来的负面影响，从根本上杜绝或减少了事故的发生，也不会因高温而加速柜内器件及柜体的老化。有效的防止柜内设备老化、绝缘强度降低、二次端子击穿、材料霉变及钢结构件锈蚀等安全隐患。半导体制冷除湿具有体积小、重量轻、功耗小、寿命长、不增加热负荷、造价低等优点，非常适合进行风力发电机组SWITCH变流系统除湿能力提升的改造。
6验证结果
挑选某风电场全年平均湿度最高的B05风机变流器实施改造，对于安装半导体制冷除湿的变流器进行现场验证，定期检测柜内外的相对湿度。约3个月的时间内，相对湿度最大值为49.52%，最小值为25.01%，平均值为39.01%。从应用效果来看，半导体制冷除湿能够将变流器柜体内的相对湿度控制在较好的范围内，从而避免因环境潮湿而使变流器产生相关故障；同时，半导体制冷除湿所需能耗较低。
7结束
潮湿环境客观的存在，当变流器工作于该类环境中时，务必考虑其抵御潮湿的能力，以使变流器能够可靠稳定的运行，减少甚至避免由于潮湿而引发的各种电气问题。随着技术的发展，半导体制冷除湿装置的体积进一步缩小，成本进一步降低，可靠性和除湿能力大为提高。
参考文献
[1]丁晓东.电子元器件的腐蚀.环境技术。
[2]胡韩莹,朱冬生.热电制冷技术的研究进展与评述。
论文作者:闫宇
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/18
标签：变流器论文; 转轮论文; 柜内论文; 温度论文; 空气论文; 半导体论文; 潮湿论文; 《电力设备》2019年第7期论文;