随着国家节能减排政策的推广，变频器由于其 良好的节能效果和控制特性，被越来越多地应用于 高能耗设备。电厂中的凝结水泵、引风机、输送泵、 空冷岛冷却风机等重要设备大多采用变频器控制 方式。变频器内部是大功率电子元件，易受外部温 度影响，一般低于40 ℃才可稳定运行；而其整流逆 变单元在工作过程中会产生大量热（其发热量约为 变频器输出功率的5%），使得变频器的工作环境恶 化，造成变频器过热跳闸等问题。空冷岛冷却风机 的变频器调节方式是环境温度越高，越需要空冷变 频器超频运行，从而使其发热量增加；而且空冷岛 冷却风机变频器数量多、布置集中，也不利于其散 热。这些因素导致变频器极易出现散热不畅；而散 热不畅又会导致变频器升温过快，随着温度升高变 频器的故障率也升高，元器件老化、绝缘性能降低 或被击穿等问题频繁出现，影响设备的安全稳定运 行。

本文以内蒙古岱海发电有限责任公司（以下简 称岱海电厂）二期工程2×600 MW机组空冷岛变频 器间改造为例，分析变频器过热的原因，结合其他 电厂相关改造经验，提出适合该厂的变频器间冷却 改造方案，以达到提高变频器散热效率、降低工作 温度、延长使用寿命的目的，从而提高设备运行的 稳定性。 1 变频器常用冷却方式

目前，变频器普遍采用的冷却方式有自然散 热、强迫风冷、液冷散热等。 1.1 自然散热

自然散热是利用空气自然热循环达到散热的 目的^[1]。该散热方式配置简单、不易附着粉尘及飘 浮物；但散热效率低，而且要求环境具备良好的通 风条件。实际应用中往往在发热元件上加装翅片 以增加散热面积，提高热交换效率。一般小容量的 变频器选用该散热方式。 1.2 强迫风冷

强迫风冷是变频器采用的较为普遍的散热方 式，它是利用冷却风扇直接将冷却风由室外经过滤 装置吸入，然后通过控制柜顶加装的出风通道将热 风排出室外。随着散热风机的快速发展，变频器冷 却风扇逐渐呈现出体积小、寿命长、噪声低、功耗 低、风量大、防护性能高的特点^[2]。该冷却方式结构 简单、成本低、更换方便，已得到越来越广泛的应用。

强迫风冷根据入口冷却空气的降温方法分为 以下几种。 1.2.1 风道开放式冷却

该冷却方式设备布置简单、施工方便、投资 小。但净化装置风阻较大，应选取高压头型风机， 进出口风机需配型合理。该冷却方式对环境要求 较高。环境空气应尽量清洁，不应含有大量粉尘、 颗粒物，且无腐蚀和爆炸危险。当环境温度高于 40 ℃时，每升高1 ℃，变频器要降低额定负荷的5% 运行。同时需要随时监视室内、外气压差，定期更 换、清洗净化滤网，以减小通道风阻。在夏季气温 偏高时，散热效果会下降。内蒙古上都发电有限责 任公司、内蒙古京隆发电有限责任公司均采用该种 冷却方式。 1.2.2 空调机送冷却风的开放式冷却

该方式是风道开放式冷却的改进形式，通过空 调机的过滤及冷却作用，提高冷风质量、降低冷风 温度，从而提高散热效率。变频器产生的60%以上 热量通过柜顶风扇排至室外，空调只需提供足够的 冷风风量，并保持空冷变频器间的温度即可。该方 式可避免环境温度变化对变频器冷却效果的影响， 但一定程度上也增加了耗电量，增大了空调机的日 常维护量：需要安排专人维护和巡检空调机，并需 定期更换空调滤网；对于空气中煤尘、粉尘含量较 高的地区，更需要加大维护力度，避免空调滤网堵 塞，一旦发生问题，需立即处理，并打开侧墙通风， 以提供足够的冷却风量。太原第二热电厂2×300 MW空冷机组采用该冷却方式。 1.2.3 空调密闭冷却

该冷却方式下，变频器间密闭，无需室外空气 的补充，不需要滤网，对室外环境空气无要求，地区 适应性较强。但由于变频器产生的所有热量完全 通过空调冷却降温，因此对空调连续稳定运行的性 能要求较高，而且耗电量较大。室内需配有温度监 测装置，温度一旦超过报警值，需立刻处理。阳泉 南庄煤矸石电厂采用该冷却方式。 1.2.4 水冷密闭冷却

该方式将空调冷却热空气方式改为以水为介 质的换热器冷却方式，节能效果明显、运行费用低、 维护量小。冷却装置可置于室外^[3]，即使管道滴漏， 也不会对室内电气设备造成影响。但需配备相关 外冷水循环管道，耗水量较大。该方式增加了大量的土建工程及安装工作，而且还需考虑施工对运行 机组及其循环水系统的影响。郑州市自来水总公 司石佛水厂采用该冷却方式^[4]。 1.3 液冷散热

该方式的冷却介质为水（其导热系数较空气高 100多倍），能够快速置换发热元件的热量，尤其对 于功率密度大（高达600 W/cm²）的电力设备电子装 置来说，液体冷却是最好的选择。但液体冷却系统 需要利用循环泵来保证冷却液在热源和冷源之间 循环，以持续交换热量。液态冷却系统通常由冷却 液循环泵、液气热交换器、膨胀箱和散热器组成。 系统部件多、结构复杂，而且还要解决电子器件和 冷却液之间的绝缘问题。要求内冷水纯净且电导 率尽可能低。同时对冷却管路的材质也有较高的 要求。岱海电厂一期2台机组的引风机变频器采用 液冷散热冷却方式。 1.4 蒸发冷却散热

在变频器液冷散热的基础上，目前又出现了基 于热管原理的蒸发冷却散热方式。该冷却方式原 理为：在变频器主要散热元件（功率器件）上采用热 管冷却，热管内液体蒸发上升至热管顶部，由二次 冷却水降温凝结，回流至热管底部，完成1个循环。 目前，国电大同发电有限责任公司联合中国科学院 电工研究所，对2台600 MW机组空冷变频器间采用 蒸发冷却方式降温^[5]，机组在夏季试运行过程中没 有出现变频器高温报警跳闸现象，应用效果良好。 2 岱海电厂空冷变频器间冷却方式

岱海电厂2×600 MW空冷机组于2010年10月 正式投产运行。岱海电厂地处内蒙古中西部地区， 冬季平均温度在-15 ℃左右，夏季最高气温不超过 30 ℃，因此空冷变频器间最初设计采用风道开放式 冷却方式。共设有2个空冷变频器间，分单元式布 置在空冷岛风扇正下方。每个变频器间共有变频 器控制柜（160 kW）64台，分8列布置，每列8台，每 列首尾2台变频器可反转。空冷变频器间布置情况 见图 1所示。变频器型号为施耐得ATV61，变频器 本体配备轴流风机，采用强制风冷的冷却方式。每 个变频器顶部配置4 个轴流风扇，型号为 FP-108EX-SI-B，流量为340 m³/h。变频器控制柜 上端连接通风罩、排风管道，直接将变频器出口热 风排至室外。室外冷风通过侧墙3个1.5 m²百叶窗 进入变频器间。变频器间冷却方式示意图见图 2。

图 1(Figure 1)

图 1 改造前空冷变频器间布置示意图

图 2(Figure 2)

图 2 改造前空冷变频器间冷却方式示意图

岱海电厂空冷机组变频器在运行过程中，陆续 出现以下问题。

（1） 随机发生变频器故障跳闸。就地查阅变 频器故障记录，发现所报故障均为变频器过热跳 闸。故障复归后，变频器仍能继续运行。

（2） 部分变频器控制失灵，设备无法正常启 停。经检查，发现变频器控制柜内控制回路中的继 电器触点电阻由低于1 Ω 升高至上千Ω 。这是由 于继电器纯银触点氧化造成的。而更换新的继电 器后，维持1~2月后又出现同样问题。

（3） 控制柜内槽盒受热融化变形，槽盒内部分 二次回路线的绝缘皮有熔融粘连现象。

（4） 变频器运行一段时间后，连续出现过热跳 闸，故障复归后，仍无法启动。经检查，发现变频器 本体自带冷却风扇卡涩损坏，拆卸风扇后发现其轴 承全部卡死。更换风机轴承，变频器恢复运行一段 时间后，又出现同样故障。而且由于轴流风扇卡 死，风机电流增大，将部分变频器风机控制板烧坏。

综上所述，空冷岛冷却风机变频器故障率高， 控制柜表面温度有时超过40 ℃，变频器频繁跳闸。 在影响了机组出力的同时，也大大增加了检修人员 的维护工作量。 4 原因分析

上述问题都是由于变频器过热或变频器控制 柜内温度过高造成的。如何避免变频器过热和降 低变频器控制柜内温度，成为亟须解决的问题。目 前变频器间冷却方式存在以下问题。 4.1 冷空气无过滤

内蒙古西部地区春季风沙大，冷空气经百叶窗 时无过滤，造成变频器控制柜通风滤网风阻增加。 4.2 风道尾部轴流风机选型不当

风道尾部轴流风机选型存在问题，其流量为 9000 m³/h，小于变频器控制柜顶部小风扇风道内的 总流量（10 880 m³/h），从而增加了风道阻力。 4.3 百叶窗开口过小

变频器间百叶窗开口过小，进风量有限，造成 变频器间内、外气压差较大。而轴流风扇压头又过 低，进一步降低了冷却风流量。 4.4 室温下所需冷却风流量不足

不考虑风道阻力的情况下，以最恶劣环境条件 分析现行方式下的冷却能力。设定环境温度 30 ℃。由于变频器柜内散热，所以入口冷却空气温 度略有上升。以实际测量的空气温度34 ℃为准。 出口热空气温度取50 ℃。变频器输出功率为160 kW，变频器发热量约为变频器输出功率的5%，则单 台变频器每小时发热量Qw=5%×160×103×3600=28 800 J。

变频器冷却所需冷却风流量V_a=Q_w（/ ΔtρC_a），其 中，Δt 为空气进入散热器前、后的温度差，℃；ρ为空 气密度，一般取1.01 kg/m³；C_a为空气定压比热容，可 近似取1.047 kJ（/ kg·℃），则V_a=28 800/（[50-34）× 1.01×1.047]=1702.2 m³/h。

通过查找铭牌，变频器内部冷却风扇流量为 1350 m³/h，小于计算所需的冷却风流量，因此，在室 外空气温度为30 ℃的条件下，不能满足变频器在最 大工况下的散热要求。

综上原因，变频器间的冷却系统冷却风在流通 过程中沿程阻力较高，造成室内、外气压差过大，虽 然变频器控制柜顶风扇持续运行，但是空气流量较 小，控制柜内的热风不能及时排出去，热量堆积，最 终导致变频器过热。 5 解决措施

5.1 改造方案的选择与确定

通过比较变频器各种冷却方式的利弊，对岱海 电厂600 MW机组变频器冷却方案进行可行性分 析。

（1） 变频器相对布置集中，若采用自然散热方 式，则无法布置散热翅片。而且变频器功率过大， 自然散热达不到散热要求。

（2） 采用水冷密闭冷却方式涉及的施工量大， 建设周期长，而且空冷变频器间单独布置在空冷岛 下方，结构紧凑、空间狭小，不利于外循环管路和辅 助设备的布置。北方冬季气温较低，管路易冻结， 也加大了设备维护和运行的难度^{[5, 6]}。

（3） 若采用蒸发散热这种新型冷却方式，需要 更换变频器，每台机组更换变频器需要500 多万 元。投入成本较高，而且运行可靠性需进一步研 究。

（4） 空调室内密闭冷却方式耗电量大，不具备 节能优势，而且冬季由于室外温度过低，不利于空 调正常运行。

通过以上分析，确定本次改造的原则为：在降 低改造投资和缩短工期的前提下，对现有开放式冷 却方式进行改进。由此最终确定改造方案为：原有 的2个百叶窗加装高效过滤器，另外1个百叶窗配 备轴流送风机以强化送风，解决百叶窗面积过小造 成进风量不足的问题；取消变频器控制柜下部的进 风滤网，以减小风阻；更换原有风道出口的排气轴 流风机，使其流量与柜顶轴流风机流量相匹配；室 内加装空调，以满足入口冷却风温度的要求。改进 后的变频器间冷却方式如图 3所示。

图 3(Figure 3)

图 3 改造后变频器间冷却方式示意图

风机选型以保证变频器本体冷却风扇流量为 前提。空冷变频器间内64台冷却风扇总流量为86 400 m³/h（单台风扇流量为1350 m³/h）。

根据经验，假设百叶窗过滤器前、后气压差ΔP为17 Pa。根据沿流线的伯努利方程：

ΔP=1/2ρv²，

计算2个加装高效过滤器的百叶窗总流量Q_v。 Q_v=2vS×3600，其中，S为百叶窗横截面积，取1.5 m²， 代入计算得Q_v=62 640 m³/h。

轴流送风机流量应达到86 400-62 640=23 760 m³/h，因此选择轴流送风机流量为30 000 m³/h，功率 8 kW。 5.2.1.2 风道出口轴流风机选型

保持原变频器顶部通风风道不变。考虑风道 存在一定风阻，风道出口轴流风机流量应略大于风 道内的总流量10 880 m³/h，因此替换为流量11 000 m³/h的轴流风机，与变频器控制柜顶风扇流量相匹 配。 5.2.2 空调配置 5.2.2.1 入口冷却空气温度

在冷却风流量确定的情况下，求所需入口冷却 空气温度^[6]。入口冷却空气的温度根据V_a=Q_w/ （ΔtρC_a）计算。Q_w取28 800 J；单台变频器冷却空气 流量V_a考虑风阻，应乘以1 个0.9 的系数，即V_a= 1350×0.9=1215 m³/h。计算得到空气进入散热器前、 后的温度差Δt 为23 ℃。设出口风温为50 ℃，则冷 却风入口温度降为27 ℃即可满足要求。 5.2.2.2 空调负荷

依据经验估算，考虑变频器控制柜通过柜体散 入房间的热量为总热量的1/4，其余3/4由柜顶风机 连接管道从设备顶部排热风口直接排至室外。假 设吸入的空气温度恒定为30 ℃。64台变频器每秒 需总空气量V=64V_a/3600=64×1215/3600=21.6 m³。

设定空气湿度为40%，标准大气压下，空气由 30 ℃（焓值99.833 kJ/kg）降至27 ℃（焓值85.158 kJ/ kg）需要释放的热量Q₁=VρΔh。Δh 表示单位体积空 气由30 ℃降至27 ℃的焓降。则Q₁=21.6 × 1.01 × （99.833-85.158）=320 kJ。

变频器柜单位时间内总散热量Q₂为总热量的 1/4，即Q₂=5%×160×64×1/4=128 kW。则空调总冷负 荷为：128+320=448 kW。

利用类似正向卡诺循环原理计算空调制冷效 率η： η=T_c/(T₀-T_c)=（273+27）/[(273+30）-（273+27）]= 10 000%。 式中T₀、T_c—高温热源、低温热源温度，K。

最终确定空调配置方式为：新增空调3台，2台 工作，1台事故备用；单台空调功率为2.24 kW。 6 改造效果

岱海电厂600 MW机组变频器间改造后，变频 器间无人值守，室内温度由空调自动控制为26 ℃， 高透滤网每月定期更换清洗；通风设备及空调降温 系统运行良好，点温仪检测变频器控制柜外壳温度 稳定在28 ℃左右；杜绝了变频器过热报警跳闸及继 电器触点老化；在将所有变频器本体自带冷却风扇 统一更换后，再未出现风扇轴承卡死问题，设备故 障率显著降低，保证了机组长周期运行的稳定性， 减少了维护人员的工作量。

通过改造，变频器产生的绝大部分热量直接排 入大气，而空调仅需在夏季气温高时投入使用，而 且耗电量很低，在保证温度控制的前提下，也符合 节能环保的理念。 7 结语

岱海电厂600 MW机组变频器间改造方案，在 满足变频器散热的基础上，能够有效利用现有设 备，减少施工量和初期投资，降低日常运行费用，可 为其他电厂解决空冷变频器冷却问题提供参考。