探究變頻器凝露的形成、危害及預(yù)防措施

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，我國(guó)各行各業(yè)廣泛的應(yīng)用著大量的變頻器。由于應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，加之我國(guó)幅員遼闊，勢(shì)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(guó)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(fēng)電機(jī)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(dǎo)致變頻器出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，使得其內(nèi)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(nèi)部積累的灰塵混合后，就會(huì)對(duì)變頻器的電氣絕緣造成嚴(yán)重的影響，嚴(yán)重的還會(huì)產(chǎn)生通路，導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)故障，影響正常的運(yùn)行。

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

通過(guò)上述介紹，可以發(fā)現(xiàn)凝露現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響和威脅變頻器的正常穩(wěn)定運(yùn)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(lái)預(yù)防和消除凝露現(xiàn)象。

一、凝露的形成及其對(duì)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(diǎn)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(huì)使得無(wú)法繼續(xù)容納于空氣中的水汽，通過(guò)液態(tài)水的形式析出。如果濕度較大且溫度相對(duì)較高的空氣，碰到溫度相對(duì)較低（低于該條件下空氣的露點(diǎn)溫度）的變頻器的固態(tài)表面，就會(huì)產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，進(jìn)而在變頻器相關(guān)部件的表面產(chǎn)生一定量的液態(tài)水。

當(dāng)液態(tài)水與變頻器內(nèi)部的灰塵混合后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的導(dǎo)電通道，進(jìn)而對(duì)變頻器的電氣絕緣造成影響，使得本該不導(dǎo)電的區(qū)域轉(zhuǎn)換為正常導(dǎo)電的區(qū)域。

舉例來(lái)說(shuō)，一旦混合了灰塵凝露附著于IGBT功率器件的表面，會(huì)導(dǎo)致IGBT的柵極和漏極之間形成通路，嚴(yán)重破壞IGBT的柵極，導(dǎo)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(huì)使得電路板產(chǎn)生原本不存在的導(dǎo)電通道，導(dǎo)致邏輯脈沖出現(xiàn)混亂，進(jìn)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(jìn)行了相應(yīng)的涂覆處理，但由于質(zhì)量和盲點(diǎn)等因素的影響，總會(huì)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(guò)對(duì)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(gè)形成條件，變頻器都不會(huì)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(duì)溫度，而后者旨在降低相對(duì)濕度。

1）溫度控制

阻止凝露的形成，可以通過(guò)破壞溫差這一凝露形成條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于變頻器柜體內(nèi)部相對(duì)封閉，若可以讓柜體溫度始終高于露點(diǎn)溫度，就不會(huì)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(fēng)口和加熱器等。一般情況下通風(fēng)口都設(shè)置了過(guò)濾器，不僅能夠杜絕大量灰塵進(jìn)入變頻器內(nèi)部，而且還能夠確保IP防護(hù)等級(jí)。該方案的主要要點(diǎn)在于一旦濕度過(guò)大即開(kāi)始加熱，溫度提升時(shí)就加大通風(fēng)。在濕度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，促發(fā)加熱動(dòng)作，提高變頻器內(nèi)部溫度，進(jìn)而有效控制相對(duì)濕度條件，在溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閥值之后，起動(dòng)通風(fēng)，從而使得變頻器內(nèi)部進(jìn)入一定量的外部新風(fēng)，從而確保變頻器內(nèi)外始終保持一致的空氣相對(duì)濕度，溫度始終保持在正常的范圍之內(nèi)。一般情況下，當(dāng)溫度超過(guò)40℃就起動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，相對(duì)濕度超過(guò)80%就起動(dòng)加熱器。

第二種方案的主要思路為：變頻器內(nèi)部冷卻能力相對(duì)可控，確保柜內(nèi)溫度始終保持在一定的范圍之內(nèi)，當(dāng)濕度超過(guò)閥值，就降低變頻器的散熱能力，通過(guò)變頻器所產(chǎn)生的功耗來(lái)提高變頻器柜內(nèi)溫度，從而杜絕凝露現(xiàn)象的出現(xiàn)；當(dāng)溫度超過(guò)閥值，就提高散熱能力，杜絕溫度過(guò)高影響變頻器的正常運(yùn)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(jìn)入柜體內(nèi)部，便于變頻器長(zhǎng)期、可靠和正常的運(yùn)行。

2）濕度控制

通過(guò)減少水汽含量，有效降低空氣相對(duì)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(nèi)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(huì)在變頻器內(nèi)部其他部位形成凝露，散熱器上形成的冷凝水通過(guò)出口向外排出，以便確保柜內(nèi)始終保持相對(duì)干燥的環(huán)境。

吸附及膜式除濕法：在變頻器柜內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的吸附材料來(lái)起到水汽吸附的目的，確保柜內(nèi)始終保持相對(duì)干燥的環(huán)境；也可以通過(guò)膜過(guò)濾器的設(shè)置，來(lái)起到阻隔水汽的目的，只讓干空氣通過(guò)過(guò)濾器，使變頻器內(nèi)部只流入相對(duì)干燥的空氣。

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

三、現(xiàn)實(shí)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(guò)程中，功率模塊產(chǎn)生擊穿燒毀的事故。筆者接下來(lái)會(huì)在描述故障現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，分析原因，并提出相應(yīng)的防范措施。

1）事故描述

在發(fā)現(xiàn)變頻器無(wú)法正常運(yùn)行之后，打開(kāi)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(yán)重?zé)龎牧似湎路降?只電解電容，同時(shí)直流熔斷器被熔斷，負(fù)極銅排被嚴(yán)重?zé)龎模妇€銅排和固定螺絲被完全熔在一起。調(diào)閱報(bào)警歷史后發(fā)現(xiàn)，DCF=1直流保險(xiǎn)處于開(kāi)路狀態(tài)，并且三相交流進(jìn)線T相、R相熔斷器沒(méi)有產(chǎn)生任何動(dòng)作。

2）事故原因的分析

由于在上電之前，整流柜要經(jīng)過(guò)大約3秒左右的充電過(guò)程，在完成充電之后，通過(guò)反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)主接觸器的吸合動(dòng)作，接著斷開(kāi)充電電阻回路。

但在操作過(guò)程中，合控制電源的同時(shí)就產(chǎn)生了短路現(xiàn)象，導(dǎo)致主接觸器未能產(chǎn)生吸合動(dòng)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(guò)程中就發(fā)生短路故障的結(jié)論。

調(diào)閱整流柜報(bào)警歷史后發(fā)現(xiàn)，DCF=1直流保險(xiǎn)處于開(kāi)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(jié)論。

通過(guò)進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)，正負(fù)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(jié)論。

事故發(fā)生時(shí)，所在地已經(jīng)連續(xù)降雨超過(guò)半月，空氣濕度已超過(guò)80%，在事故原因的檢查分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)柜體內(nèi)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(jié)露現(xiàn)象，加之密封的柜內(nèi)環(huán)境下，變頻器工作時(shí)柜體排風(fēng)扇才正常運(yùn)行，難以有效排除柜內(nèi)的潮濕空氣，導(dǎo)致絕緣紙受潮，進(jìn)而大幅降低了正負(fù)電排之間的絕緣能力。

變頻器在充電過(guò)程中，因?yàn)槠骷途€路存在的雜散電感的影響，開(kāi)關(guān)瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的瞬間充電電流，而正負(fù)母排會(huì)因?yàn)檩^弱的絕緣能力而產(chǎn)生絕緣拉弧現(xiàn)象，母線電壓上會(huì)疊加電容反饋的巨大電流和短路電流，從而導(dǎo)致IGBT里的PN結(jié)出現(xiàn)雪崩電壓擊穿現(xiàn)象，進(jìn)而完全失去正常功能、緩沖電容炸裂和IGBT短路炸裂。因?yàn)槭艿剿查g短路電流觸頭粘連的影響，充電回路接觸器會(huì)使得充電電容被嚴(yán)重?zé)龎摹?/p>

3）具體防范措施的提出

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

圖1相對(duì)濕度、凝露溫度和環(huán)境溫度曲線

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(qiáng)化變頻器柜體工作環(huán)境的溫濕度控制，開(kāi)啟室內(nèi)空調(diào)，并將其調(diào)整為除濕模式。在正常運(yùn)行過(guò)程中，由于變頻器的自身發(fā)熱，會(huì)使得柜內(nèi)溫度要大于外界的環(huán)境溫度，而一旦變頻器停止運(yùn)行，柜內(nèi)溫度會(huì)緩慢降低到相應(yīng)的露點(diǎn)溫度。所以，筆者認(rèn)為在變頻器停止運(yùn)行的狀態(tài)下，要相應(yīng)的降低室內(nèi)空調(diào)的溫度設(shè)置，避免環(huán)境溫度高于變頻器柜內(nèi)溫度。

其次在變頻器在正常運(yùn)行過(guò)程中，要確保柜內(nèi)加熱器處于停用狀態(tài)，反之，要確保加熱器處于正常運(yùn)行狀態(tài)，以便確保環(huán)境溫度始終低于變頻器柜內(nèi)溫度。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫調(diào)節(jié)的功能，加熱器務(wù)必使用PTC材料。

對(duì)已有凝露控制器進(jìn)行改造，并設(shè)置3個(gè)溫度傳感器，其裝設(shè)位置為：2個(gè)裝設(shè)于變頻器柜內(nèi)的相應(yīng)位置，1個(gè)裝設(shè)在柜外，以便實(shí)現(xiàn)柜體溫度和柜外環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)的目的。通過(guò)確保柜內(nèi)溫度來(lái)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(jié)論

凝露現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響變頻器的正常運(yùn)行，筆者所提出的幾點(diǎn)預(yù)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(zhǎng)期、穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行。

編輯：jq