电力电子电容器高海拔和超高海拔应用的研究

时间：2024-07-28

文/黄云锴储松潮潘焱尧徐亚宁王磊徐飞徐璐（安徽铜峰电子股份有限公司）

风力发电和光伏发电属于国家支持的新型清洁能源，近年来在电力供应中已逐渐占有一席之地。根据国家规划，未来5年风能光伏发电量将占总发电量的11%[1]。我国西部地区风能和日照自然条件好，有利于发展风能光伏项目，但海拔大多在3000m以上，部分项目选址海拔高达5500m。高海拔、低气压会使得电气元件散热不良、绝缘能力下降，低温引起的局部放电、高能宇宙射线粒子会损伤户外使用的元器件绝缘材料、破坏电荷区电场[2]。

电力电子电容器是风能光伏变流器中不可或缺的元器件，主要起到直流支撑和交流滤波的作用。为满足高原环境使用需求，需要对电气元件进行特殊的热稳定性、绝缘耐压和局部放电等试验，以保障在高海拔和超高海拔地区的安全可靠运行。本文通过热稳定性试验研究电力电子电容器在高原环境可以承载电流的变化情况，获得高海拔因素对产品性能的影响，对在高海拔和超高海拔环境中电力电子电容器的选型和使用有积极意义。

一、电容器在高海拔和超高海拔环境中使用存在的问题

1.不同海拔高度的划分

根据地理学和气象学的资料，海拔1500～3500m属高海拔地区，海拔3500～5500m属超高海拔地区。目前常规风能光伏项目海拔最高的是西藏措美风电项目，海拔4850～5500m。

2.海拔高度对气压和空气密度的影响

由于重力的影响，离地面越高的地方空气密度越小，气压也随之降低。不同海拔的气压并不是恒定值，随着季节变化、气温高低和晴雨情况会有波动。而且气压在每天的不同时间也会有一定的波动，一般最高值在9～10时，最低值在15～16时，波动的幅值一般为0.1～0.4kPa，且随海拔高度的增高而减小。考虑季节、天气和气温等波动因素和适当加严试验条件，本文研究的边界条件设置在海拔6000m环境，研究所需的不同海拔的气压见表1。

表1 不同海拔高度的气压值

3.高海拔和超高海拔对电容器承载电流的影响

电力电子电容器大多为金属化薄膜电容器，薄膜材料作为电容器的主绝缘介质对温度较为敏感，一旦超过薄膜允许工作温度电容器会在极短时间内失效。而薄膜材料如果长期处于较高工作温度中也会降低其击穿电压、加速薄膜老化，大幅度缩短电容器预期使用寿命。因此本文主要研究高海拔和超高海拔对电容器承载电流的影响，验证电容器能否在高原环境中安全可靠运行[3]。

二、热稳定性试验方案的设计

1.标准的热稳定性试验

电力电子电容器的试验是按照GB/T17702标准进行的，该标准对热稳定性试验的条件为：电容器在最高运行环境温度+5℃的烘箱中，对电容器施加1.1倍额定电流持续48h，在试验的最后6h温升变化不超过1℃。试验结束后测量电容器容量变化小于一个原件击穿或一个内部熔丝动作之量，自愈式电容器容量变化≤1%，实验结束时应测量损耗[4]。

2.高海拔和超高海拔的热稳定性试验方案的选取

为探究高海拔和超高海拔对电容器的影响，选取风能光伏逆变器中广泛使用的1100VDC-270μF电容器进行试验。制作了2只电容器，并在电容器芯棒中安装了温度传感器，用于监控试验中电容器中心的发热情况。

电容器置于真空加热罐中，调节加热温度使之符合试验要求。选取 101.20kPa、84.00kPa、67.24kPa、50.44kPa和33.64kPa进行试验，分别对应海拔15m（实验室海拔）、1500m、3000m、4500m和6000m环境。试验过程中实时记录电容器和真空加热罐温度，以比较气压对温升的影响。为了找到电容器可以运行的边界条件，针对不同气压、不同电流，通过调节烘箱温度，使电容器内部温度尽可能处于较高范围。

3.高海拔和超高海拔热稳定试验参数的确定

1100VDC-270μF电容器正常散热工况下额定电流60A，由此确定电容器热稳定性试验的条件为60A×1.1=66A。为了探究在高海拔和超高海拔条件下电容器降低电流使用的可能性，还进行了33A（30A×1.1）、44A（40A×1.1）和55A（50A×1.1）电流时不同气压下的热稳定性试验。

三、高海拔和超高海拔热稳定性的试验情况

根据上述试验方案进行的1100VDC-270μF的试验所获得的相关数据见表2—表5。

四、试验分析

1.数据分析和一般研究资料的比较

通过研究本试验数据可以发现，1200VDC-270μF电容器在相同电流条件下随着海拔升高（气压降低）电容器温升变高。根据以下公式计算：

表2 不同气压条件33A电流热稳定性试验温度变化

表3 不同气压条件44A电流热稳定性试验温度变化

表4 不同气压条件55A电流热稳定性试验温度变化

表5 不同气压条件66A电流热稳定性试验温度变化

表6 不同气压条件下电容器温升变化率

通过表6分析可见，在海拔6000m以下，海拔每升高1000m温升平均增加3.69%。同时数据还表明，在小电流情况下随海拔升高，温升上升率更加明显，随电流增加因海拔升高导致的温升上升率有所减小。此结果给该型电容器或体积相近的风能光伏电容器在高海拔地区运行提供了参考。

2.高海拔和超高海拔带来的温度下降因素的影响

一般认为，海拔每升高1000m，平均气温下降6℃。环境温度下降，有利于电力电子电容器的长时可靠运行。但由于电力电子电容器一般置于电器柜中，而空气密度下降导致机柜内的热量不易导出至自然环境中；而且各厂商电气柜结构设计不同，电力电子电容器所处位置不同，散热能力和散热通道情况不同，项目所处位置接受阳光辐射不同等复杂因素交织，所以不能简单认为因高海拔气温下降就可以在更大的电流条件下使用。反之，在此恶劣自然环境中需要给电力电子电容器的工况留有足够余量，降低电容器的发热，使其安全可靠运行，降低项目后期运行维护费用[5]。