水冷系统热交换器户外电源盒可靠性提升及优化

蒙元楷,洪春凤,刘建伟,武双兵,符夏颖,罗毅强

(广州高澜节能技术股份有限公司，广东 广州 510663)

在兆瓦级的风力发电机组中，越来越多的风力发电机组核心部件--变流(频)器的散热选择采用水冷却。水冷却系统通过冷却介质，将被冷器件的热量输送到热交换器并由热交换器将热量带走。板翅式散热器作为一种换热效率高，经济效益好的热交换器，现已在风力发电机组的变流(频)器的冷却系统中得到了广泛应用[1]。

板翅式热交换器，通常依靠单个或多个风机运行时产生强制对流加大换热效率。为了现场施工便利，客户通常要求在热交换器上设置一个户外电源盒作为设备电气接口。由于热交换器常置于风力发电机组塔筒外部，且常规风力发电机组所在环境通常情况较为恶劣，这要求热交换器上的电源盒需要要适用于严酷的户外环境[2-3]。

1 热交换器户外电源盒的使用需求

户外电源盒、机柜有许多成熟的产品，比如德国RITTAL公司的户外机柜系列，已经得到了广泛的采用。但是对于风力发电机组变流(频)器水冷系统的外部热交换器来说，这类户外电源盒、机柜尺寸过大，经济效益低下。

对于风力发电机组变流(频)器水冷系统的外部热交换器，其户外电源盒应能满足以下要求：

⑴性能可靠，具有较好的防护性能；

⑵尺寸小巧、紧凑；

⑶结构简单、易加工、经济效益好；

⑷使用、维护方便。

2 热交换器户外电源盒的设计

按照电源盒的实际使用需求，电源盒可分为外部的盒体与内部的电气元件安装板，本装置的电气元件尺寸需求不大，200mm×120mm的电气安装板尺寸就足以满足使用需求。设计的重点就在于外部盒体的设计。

2.1 盒体和盒盖的设计

常规的户外电源盒盒盖通常选用铰链与盒体连接，使用机柜锁关闭盒盖。这种结构虽然可靠，但是铰链、机柜锁的的尺寸限制使其不能做小(本实例中要求电源盒长度不大于280mm，高度不大于200mm，深度不大于100mm)。故不选择铰链形式，盒体与盒盖作为两个单独的零件，使用自攻螺栓连接。

2.1 入组患者基线资料 结果(表1)表明：57例前循环颅内动脉瘤破裂患者32～81岁，平均年龄为(58.3±11.3)岁，女性居多(59.90%)，动脉瘤部位以大脑中动脉及前交通动脉为主(64.9%)。术前Fisher分级以2级、3级者为主(89.5%)。术前CT提示存在脑萎缩者较多，以轻至中度脑萎缩为主(94.7%)。

电源盒盒体采用折弯设计，可由一块钢板钣金折弯而成，这样不仅保证了加工效率，而且能很好的降低成本。

2.2 防护性能的保证

由于是户外电源盒，对防护等级有较高的要求，通过以下细节的设计，增强了电源盒防护性：

Ⅰ 电源盒与设备安装时，在安装孔处垫有密封垫，并在安装孔处冲压出一个小凸台，可以很好的避免雨水的渗入；

Ⅱ 盒盖与盒体之间采用发泡胶密封，盒体上有专门的折边压住盒盖上的发泡胶。连接盒体与盒盖的自攻螺栓，与盒盖之间也垫有密封垫。

2.3 满足认证的特殊要求

随着“一带一路”战略的不断推进落地、中国风力发电装备制造企业实力的不断增强。越来越多的国产风力发电机组“走出去”。作为风力发电机组核心部件变流(频)器配套水冷系统的热交换器，也需要满足各个进口国的强制认证需求。电源盒作为热交换器上的一个部件，设计也需要满足各种认证需求。

Ⅰ为满足强调安全合格的CE认证要求，电源盒所有的尖锐部分需要全部倒钝处理。

Ⅱ 为满足北美市场安装准入的ETL认证需求，在电源盒顶部有专门设计的挡雪板。

按照上述要求，设计出来的电源盒形式如下。

图1 户外电源盒的模型爆炸图

图2 现场投运的装有户外电源盒的热交换器

3 现有结构电源盒的不足

如上所述的户外电源盒，由于其结构紧凑、方便易用，经济效益好，已经在多个地区的多个风电场得到了广泛应用。但是，统计多年的现场反馈问题，还是发现了此结构的户外电源盒的一些不足。

3.1 盒盖与盒体的连接不够可靠

盒盖与盒体间采用自攻螺丝连接，现场设备投运时至少经历了4次拆装(电源盒制造商出厂、热交换器生产厂来料检验、热交换器生产厂组装接线、现场施工单位接线)。所用自攻螺丝(规格为M4)容易失效。由于电源盒为薄板钣金件(钣金壁厚一般不大于1.5mm)，无法使用大规格的自攻螺丝替换安装。无法正常安装的盒盖，是导致设备失效的一个诱因。

3.2 盒盖与盒体连接螺栓容易被破坏

盒盖与盒体间连接采用十字自攻螺丝(规格为M4)。由于风力发电机组所在地较为偏僻，现场维护人员巡检盲区较大。位于风力发电机塔筒外的散热器部件会有被破坏、盗取的情况出现。盒盖与盒体间使用的十字自攻螺丝，拆装工具易得，规格较小容易被外力破坏。极端情况下会影响发电机组的正常运行。

4 电源盒的可靠性提升优化

从实际使用的反馈情况来看，此结构的电源盒的痛点集中在盒盖与盒体的连接上。可靠性提升的主要思路是改变盒体盒盖连接处的结构。

图3 优化后的电源盒模型爆炸图

具体的改变有：

(1)在盒体上焊接螺母，不再采用自攻螺丝连接；盒体与盒盖连接处置于电源盒外，能保证极端条件下盒体螺母破坏也能外装额外螺母保证可靠性。

同时盒体最外侧边增加“死边”工序，降低盒体边缘的锐度，增加对于人的防护：

图4 优化后的电源盒盒体局部图

(2) 连接螺栓选用M6规格的内六角螺母，选用M6规格的原因在于M6较M4强度大。选用内六角螺栓的原因是内六角作为工业装备常用螺栓，内六角扳手工具较为易得；由于内六角螺栓在民用领域应用不够普遍，普通人员不会专门采购一套使用率不高的工具。使用内六角螺栓，可以在满足方便拆装的前提下，降低电源盒非正常破坏的可能。

5 新旧电源盒的使用成本比较

优化过后的电源盒，由于增加材料、工序等原因，在同等材料、同等表面处理的前提下，新电源盒比旧电源盒成本增加了约10.3%。

电源盒作为热交换器的一个组成部分，对整个热交换器来说，新旧电源盒的成本变化使得散热器成本增加了0.12%。

如果一个电源盒最终导致了风力发电机组的因故停机，热交换器供货商不仅需要支出售后人员现场更换维护的费用，还要承担风力发电机组停发造成的损失。综合考虑，采用新结构的电源盒，以一点点的成本增加，来大幅降低一个风险点的发生概率，是十分经济的。

图5 优化后的电源盒盒已开始应用

6 小结

对于一台需要连续运行工业设备来说，在保证使用性能的前提下，设备的可靠性无疑是最为重要的属性。对于一个完整的系统来说，任何一个细微部件的失效，都有可能导致整个系统的停摆。高可靠性往往意味着高投入，可靠性与经济性常常作为一对矛盾贯穿整个系统的始终。在这两个矛盾中如何取舍，需要系统管理者在更高的层次上统筹决策。

本实例通过实例介绍了小型户外电源盒的设计及可靠性提升方案，综合成本比较后决策，使高可靠性的电源盒开始投入使用。