凝露的形成及其對變頻器產(chǎn)生的危害和消除方法

隨著我國經(jīng)濟、社會和科學技術的高速發(fā)展，我國各行各業(yè)廣泛的應用著大量的變頻器。由于應用領域廣泛，加之我國幅員遼闊，勢必有大量的變頻器工作在潮濕的環(huán)境之中，比如安裝在我國潮濕多雨的沿海地區(qū)和南方地區(qū)的變頻器、或安裝在江湖和潮濕山地附近的風電機組變頻器、或工作在河流、湖泊和海邊的變頻器裝置。

受空氣濕度的影響，一旦工作環(huán)境溫度產(chǎn)生較大變化，就有可能導致變頻器出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，使得其內部功率器件、電路板等部位產(chǎn)生一定量的液態(tài)水，在與變頻器內部積累的灰塵混合后，就會對變頻器的電氣絕緣造成嚴重的影響，嚴重的還會產(chǎn)生通路，導致變頻器出現(xiàn)故障，影響正常的運行。

舉例而言，液態(tài)水附著于功率器件散熱板之上，會導致IGBT的柵極和漏極之間形成通路，并嚴重破壞IGBT的柵極，導致IGBT失去正常功能；再比如液態(tài)水附著于電路板之上，會導致相應端子出現(xiàn)短路現(xiàn)象，進而造成脈沖混亂，嚴重的還會導致橋間短路等故障現(xiàn)象的出現(xiàn)。

通過上述介紹，可以發(fā)現(xiàn)凝露現(xiàn)象會嚴重影響和威脅變頻器的正常穩(wěn)定運行，一旦變頻器工作于潮濕的環(huán)境之中，就一定要采取正確的措施來預防和消除凝露現(xiàn)象。

一、凝露的形成及其對變頻器產(chǎn)生的危害

自然條件下的空氣，是由少量塵埃、水汽以及絕干空氣所組成。空氣所能夠容納的水汽與環(huán)境溫度成正比，即環(huán)境溫度越高，空氣就能夠容納更多數(shù)量的水汽。而所謂的露點溫度，是指特定濕度空氣出現(xiàn)凝露現(xiàn)象的最高溫度。

在較高溫度下包容在空氣中的水汽，由于溫度的下降，會使得無法繼續(xù)容納于空氣中的水汽，通過液態(tài)水的形式析出。如果濕度較大且溫度相對較高的空氣，碰到溫度相對較低（低于該條件下空氣的露點溫度）的變頻器的固態(tài)表面，就會產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，進而在變頻器相關部件的表面產(chǎn)生一定量的液態(tài)水。

當液態(tài)水與變頻器內部的灰塵混合后，會產(chǎn)生相應的導電通道，進而對變頻器的電氣絕緣造成影響，使得本該不導電的區(qū)域轉換為正常導電的區(qū)域。

舉例來說，一旦混合了灰塵凝露附著于IGBT功率器件的表面，會導致IGBT的柵極和漏極之間形成通路，嚴重破壞IGBT的柵極，導致IGBT失去正常功能；又比如混合了灰塵凝露附著于控制電路板之上，會使得電路板產(chǎn)生原本不存在的導電通道，導致邏輯脈沖出現(xiàn)混亂，進而產(chǎn)生電源短路、電子元器件失效等故障。

盡管部分電路板進行了相應的涂覆處理，但由于質量和盲點等因素的影響，總會在某些元器件的底部、電路連接處等部分產(chǎn)生凝露現(xiàn)象。

二、凝露的消除方法

通過對溫差和濕度等凝露形成條件的破壞，可以起到從根本上消除凝露現(xiàn)象發(fā)生的目的。破壞了任何一個形成條件，變頻器都不會出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

目前，較為通行和常用的凝露消除方法有：溫度控制法和濕度控制法，前者旨在降低相對溫度，而后者旨在降低相對濕度。

1）溫度控制

阻止凝露的形成，可以通過破壞溫差這一凝露形成條件來實現(xiàn)。由于變頻器柜體內部相對封閉，若可以讓柜體溫度始終高于露點溫度，就不會產(chǎn)生凝露。

受該思想的影響，現(xiàn)階段主要有兩種溫度控制方案：

第一種方案包括通風口和加熱器等。一般情況下通風口都設置了過濾器，不僅能夠杜絕大量灰塵進入變頻器內部，而且還能夠確保IP防護等級。該方案的主要要點在于一旦濕度過大即開始加熱，溫度提升時就加大通風。在濕度超過預先設定的數(shù)值時，促發(fā)加熱動作，提高變頻器內部溫度，進而有效控制相對濕度條件，在溫度達到預先設定的閥值之后，起動通風，從而使得變頻器內部進入一定量的外部新風，從而確保變頻器內外始終保持一致的空氣相對濕度，溫度始終保持在正常的范圍之內。一般情況下，當溫度超過40℃就起動通風系統(tǒng)，相對濕度超過80%就起動加熱器。

第二種方案的主要思路為：變頻器內部冷卻能力相對可控，確保柜內溫度始終保持在一定的范圍之內，當濕度超過閥值，就降低變頻器的散熱能力，通過變頻器所產(chǎn)生的功耗來提高變頻器柜內溫度，從而杜絕凝露現(xiàn)象的出現(xiàn)；當溫度超過閥值，就提高散熱能力，杜絕溫度過高影響變頻器的正常運行。該方案下的變頻器柜體大多采用的是完全密封的形式，有效杜絕了鹽霧、有害氣體和灰塵進入柜體內部，便于變頻器長期、可靠和正常的運行。

2）濕度控制

通過減少水汽含量，有效降低空氣相對濕度，從而杜絕凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生。主要包括以下三種方案：溫差除濕法、吸附及膜式除濕法和冷凝除濕法。

溫差除濕法：在變頻器內部安裝有利于凝露的散熱器，從而使得凝露僅形成于該散熱器之上，從而不會在變頻器內部其他部位形成凝露，散熱器上形成的冷凝水通過出口向外排出，以便確保柜內始終保持相對干燥的環(huán)境。

吸附及膜式除濕法：在變頻器柜內設置相應的吸附材料來起到水汽吸附的目的，確保柜內始終保持相對干燥的環(huán)境；也可以通過膜過濾器的設置，來起到阻隔水汽的目的，只讓干空氣通過過濾器，使變頻器內部只流入相對干燥的空氣。

冷凝除濕法：在變頻器內部設置溫度最低點，使得凝露僅產(chǎn)生于該處，從而有效降低變頻器內部的相對濕度，使得變頻器內部始終保持相對干燥的環(huán)境。

三、現(xiàn)實案例分析

筆者在工作中曾遇到某型變壓器由于受潮濕空氣影響，造成其在工作過程中，功率模塊產(chǎn)生擊穿燒毀的事故。筆者接下來會在描述故障現(xiàn)象的基礎上，分析原因，并提出相應的防范措施。

1）事故描述

在發(fā)現(xiàn)變頻器無法正常運行之后，打開整流柜面板，看到R相的緩沖電容和IGBT被燒毀炸裂，且觸發(fā)線被完全燒壞，IGBT和緩沖電容之間的絕緣紙出現(xiàn)部分燒蝕碳化的現(xiàn)象，IGBT炸裂產(chǎn)生的金屬嚴重燒壞了其下方的5只電解電容，同時直流熔斷器被熔斷，負極銅排被嚴重燒壞，母線銅排和固定螺絲被完全熔在一起。調閱報警歷史后發(fā)現(xiàn)，DCF=1直流保險處于開路狀態(tài)，并且三相交流進線T相、R相熔斷器沒有產(chǎn)生任何動作。

2）事故原因的分析

由于在上電之前，整流柜要經(jīng)過大約3秒左右的充電過程，在完成充電之后，通過反饋信號實現(xiàn)主接觸器的吸合動作，接著斷開充電電阻回路。

但在操作過程中，合控制電源的同時就產(chǎn)生了短路現(xiàn)象，導致主接觸器未能產(chǎn)生吸合動作。事故發(fā)生后，檢查發(fā)現(xiàn)充電回路的充電電阻器和接觸器被完全燒壞，從而得出充電過程中就發(fā)生短路故障的結論。

調閱整流柜報警歷史后發(fā)現(xiàn)，DCF=1直流保險處于開路狀態(tài)，接觸器和充電電阻被燒壞、IGBT擊穿、2000A直流熔斷器被熔斷，從而得出逆變回路未發(fā)生短路故障，整流部分出現(xiàn)短路故障的結論。

通過進一步的現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)，正負銅排間存在明顯的絕緣紙?zhí)蓟F(xiàn)象，且母排間有明顯的爬電跡象，從而得出直流母排間短路的結論。

事故發(fā)生時，所在地已經(jīng)連續(xù)降雨超過半月，空氣濕度已超過80%，在事故原因的檢查分析過程中，發(fā)現(xiàn)柜體內有明顯的凝露現(xiàn)象。

由于該整流柜在事故發(fā)生前一直處于停用狀態(tài)，造成銅排出現(xiàn)結露現(xiàn)象，加之密封的柜內環(huán)境下，變頻器工作時柜體排風扇才正常運行，難以有效排除柜內的潮濕空氣，導致絕緣紙受潮，進而大幅降低了正負電排之間的絕緣能力。

變頻器在充電過程中，因為器件和線路存在的雜散電感的影響，開關瞬間會產(chǎn)生較大的瞬間充電電流，而正負母排會因為較弱的絕緣能力而產(chǎn)生絕緣拉弧現(xiàn)象，母線電壓上會疊加電容反饋的巨大電流和短路電流，從而導致IGBT里的PN結出現(xiàn)雪崩電壓擊穿現(xiàn)象，進而完全失去正常功能、緩沖電容炸裂和IGBT短路炸裂。因為受到瞬間短路電流觸頭粘連的影響，充電回路接觸器會使得充電電容被嚴重燒壞。

3）具體防范措施的提出

凝露產(chǎn)生的三大因素：露點溫度、濕度和環(huán)境溫度的關系曲線具體見下圖。

圖1相對濕度、凝露溫度和環(huán)境溫度曲線

結合現(xiàn)場實際情況和凝露形成條件，筆者提出了以下幾條主要的凝露防范措施：

首先是強化變頻器柜體工作環(huán)境的溫濕度控制，開啟室內空調，并將其調整為除濕模式。在正常運行過程中，由于變頻器的自身發(fā)熱，會使得柜內溫度要大于外界的環(huán)境溫度，而一旦變頻器停止運行，柜內溫度會緩慢降低到相應的露點溫度。所以，筆者認為在變頻器停止運行的狀態(tài)下，要相應的降低室內空調的溫度設置，避免環(huán)境溫度高于變頻器柜內溫度。

其次在變頻器在正常運行過程中，要確保柜內加熱器處于停用狀態(tài)，反之，要確保加熱器處于正常運行狀態(tài)，以便確保環(huán)境溫度始終低于變頻器柜內溫度。為實現(xiàn)自動恒溫調節(jié)的功能，加熱器務必使用PTC材料。

對已有凝露控制器進行改造，并設置3個溫度傳感器，其裝設位置為：2個裝設于變頻器柜內的相應位置，1個裝設在柜外，以便實現(xiàn)柜體溫度和柜外環(huán)境溫度監(jiān)測的目的。通過確保柜內溫度來杜絕凝露條件的產(chǎn)生，從而有效防范凝露現(xiàn)象的出現(xiàn)。

四、結論

凝露現(xiàn)象會嚴重影響變頻器的正常運行，筆者所提出的幾點預防凝露的措施可以有效降低凝露現(xiàn)象的出現(xiàn)，減少事故發(fā)生的幾率，確保變頻器可以長期、穩(wěn)定和可靠的運行。?