0 引言

    在UPS系統的應用中，其自身元件質量、工作環境以及負載狀況等因素，都會影響到UPS系統的故障率和穩定水平^[1]。UPS系統在運行過程中，元器件產生的熱量通過對流、輻射等形式散發到周圍環境中去，導致環境空氣與元器件表面溫差升高。這些元器件包括：電感、變壓器、功率半導體器件、電容、電阻等。表1給出了各元器件效率的典型值。

    UPS工作在不同的模式下，產生的熱量也不相同。在UPS絕大部分運行時間內，工作在主路逆變狀態，運行效率達80%~98%。UPS的2%~20%功率會轉化成熱量。一個100 kVA的UPS系統可以產生5 kW~10 kW的熱量。UPS因散熱等外在因素降低了其容量的使用效率^[2-3]。對于大型的UPS來說，電氣元器件多，熱量損耗大，效率很容易低于95%，低于90%也是非常常見的。這就意味著5%到10%的功率轉換成熱量消耗了。

    當UPS風扇故障時，元器件外殼與外界溫度差會超過40 ℃。器件表面到內部熱源還有5 ℃到15 ℃的溫差。通過強制空氣冷卻，40 ℃的溫升可以降到10 ℃以下。幾乎所有功率等級的UPS都會使用強制空氣冷卻，來降低器件的溫升。

    散熱風扇主要由外殼、葉片和包括軸承和潤滑系統的電機組成。這些風扇部件中，許多已經從原先的金屬材質改用塑料材質。像其他電氣元件一樣，散熱風扇也有一定的壽命期限。風扇廠家通過實驗室測試，給出在額定運行條件下的預期使用壽命。在特定使用條件下，風扇的壽命也可由廠家提供的公式計算得出。

    UPS的壽命與可靠性部分取決于單個元器件的表面溫升大小。除此以外，絕緣材料之間的電場、振動、濕度也是加速UPS老化的因素。本文僅討論溫度和散熱風扇對UPS可靠性的影響，分析元器件溫度大小致使UPS預期壽命下降的原因。比較強制空氣對流冷卻在降低溫度方面比自然空氣對流冷卻的優勢。對散熱風扇的可靠性進行建模分析，最后討論其對UPS系統可靠性的影響。

1 溫升對元器件可靠性的影響

    固體材料元器件的絕緣性能隨著溫度升高而退化。絕緣材料的壽命通常與漏電流的大小成反比^[4-5]。不同的老化過程導致漏電流增加和絕緣電阻降低，表現為物質氧化、化合物分子分裂和離子污染物增加，這三種變化都與溫度大小有關。Arrhenius模型闡述了由于溫升引起的熱降解作用與使用壽命的關系，其方程式如式(1)所示。

式中：L(T)是在最大殼體溫度T下工作元器件的預期使用壽命；L(T₀)是由元器件廠家提供的使用壽命溫度系數。

    根據式(2)可以得出，在最大允許溫度范圍內，溫度每增加10 ℃，使用壽命就會減少一半^[6-7]。廠家提供的溫度壽命系數取值大約在1.6~3范圍內。值得注意的是溫度增長的基數。當溫度從70 ℃增加到80 ℃時，使用壽命可能減少一半，但是當溫度從30 ℃增加到40 ℃時，使用壽命的變化小得多。在40 ℃以下幾乎沒有溫度退化現象。實際的溫度使用壽命系數在不同的溫度段可能差距較大。

    如何為一個完整的UPS系統建立使用壽命溫度參數模型，業界仍存在分歧，但提高UPS系統運行溫度會導致其使用壽命降低的結論毋庸置疑。

2 自然對流冷卻與強制對流冷卻

    UPS內部主要散熱的方式為自然和強制空氣對流冷卻。熱傳遞可用式(3)來估算。主要的難點在于估計強制對流空氣與自然空氣對流的空氣流量體積。

式中：Q為傳遞的熱量；F為氣體流速，單位為每分鐘立方英尺，CFM；C_P為一定溫度和密度的空氣比熱容。

    空氣的比熱容和密度都隨局部溫度變化而變化。假設這兩者均為常數，式(3)可簡化成如圖1所示，來表述傳遞熱量、氣流速度及溫差三者之間的關系。

    從圖1中可以看出，為了降低空氣流速，進出空氣溫差必須加大，以保持恒定的熱傳遞速率。每千瓦的熱量傳遞需要大約100 CFM的空氣流量，以保持小于10 ℃的溫差，從而在器件內部保持較小的溫升。

    強制對流冷卻與自然對流冷卻相比，容積風量差異較大。強制空氣冷卻中，風扇通過壓縮空氣產生壓差，從而迫使空氣流動，空氣流速可達200 CFM。在自然對流的情況下，溫度差引起氣體密度的變化，也可導致壓力差和空氣流量，但空氣流量要小得多。自然對流產生的氣流速度比風扇產生的氣流速度要小得多。

3 散熱風扇的可靠性建模

    散熱風扇具有不同尺寸、特性，可由不同的電機技術驅動。最常見的兩種是軸流風扇和離心風扇，如圖2所示。

    功率半導體通常配有散熱器，兩者通過導熱性能好的硅膠連接在一起。散熱器設計在UPS內部的一個腔室中。散熱風扇通常安裝在這個腔室的頂部或底部，將冷空氣吸入或將熱空氣排出UPS。還有其他安裝布置，例如安裝在散熱器的一側。典型的UPS系統如圖3所示，圖中給出了典型UPS系統中的多個不同風扇和不同風扇位置。

    驅動風扇運轉的電機也分很多種類。表2給出了不同功率等級下使用的電機種類。

    影響風機可靠性的主要機械設計參數是軸承技術。電機軸承有兩種不同的形式：套筒軸承或滾珠軸承加上密封潤滑系統。使用套筒軸承或滾珠軸承的分界范圍是100～200 CFM。

    風扇既有機械故障也有電氣故障。機械故障主要由軸承磨損引起，也可能是由于風扇葉片和外殼隨使用時間變形而引起。越來越多的金屬風扇外殼與葉片正在被塑料外殼所取代。電氣故障是由于電機線圈老化，最終無法轉動或線圈接地引起的。其中機械故障遠比電氣故障概率要高，大約占總故障的65%。

    為防止微小顆粒進入冷卻氣流中，通常的做法是在風機側增加過濾裝置。空氣流動過程中往往造成靜電增加。機房環境、靜電、塵埃顆粒導致過濾孔隙率降低等因素將導致空氣流速降低。如果沒有維修和更換操作，UPS內部的強制氣流將隨著時間的推移而減少。

    隨著時間的推移，風扇和電機出現故障的頻次是逐漸增加的。在逐漸老化期間，風扇的轉速和空氣流量不斷降低。

    在相同條件下運行的一組風扇，它們的失效時間不對稱分布。這種分布稱為概率密度函數，通常使用Weibull函數建模。風扇具有特定的使用壽命和故障概率。Weibull分布是風機可靠性模型的首選。其原因有：(1)作為一個封閉形式方程，其解可由代數方法算出；(2)Weibull函數具有矩陣的封閉形式解；(3)許多軟件中包含Weibull函數。

    Weibull模型關鍵在于兩個特征參數，特征壽命類似于非對稱分布中的模式，形狀因子決定概率分布的寬度和非對稱性。Weibull分布的方程式如式(4)所示。

    在過去的20年中，人們對風機故障進行了廣泛的研究。一些大型廠家對用戶提供了特征壽命和形狀因子。一般來說，帶套筒軸承風扇的特征壽命是75 000小時左右，帶滾珠軸承的風扇的特征壽命是15 000小時左右。形狀因子在2.0~5之間，典型值為3.25。

    圖4是兩個不同的失效概率曲線圖，這兩個曲線具有相同的形狀因子3.25。從圖4中可知，5~8年期間內，UPS中的風扇失效的概率可能為5%~10%。對于特定的可靠性曲線，需要特定的環境信息和風扇可靠性信息。MTBF（平均故障間隔時間）是用于表征特定部件的宏觀使用壽命平均值。如果研究微觀失效模型，則需要基于Weibull或等效分布模型的可靠性曲線。

4 風機可靠性對大型UPS可靠性的影響

    UPS的可靠性量化需要大量的建模、實驗室測試和現場驗證。如果沒有日常預防性維護操作，用于強制空氣冷卻的空氣流速將緩慢降低，導致UPS中單個部件的外殼或表面溫度上升。隨著時間推移，這將降低單個部件的有效使用壽命，其中電容器和功率半導體對表面或外殼溫度的微小增加最敏感。過濾器中的污垢堆積；軸承潤滑降低；電機摩擦增加；塑料風扇部件變形，這也可能導致摩擦增加；以及電氣故障，都可能降低電機的功率或導致電機完全停止轉動，致使冷卻空氣流量減少。

    散熱風扇每秒鐘都在運轉，是UPS內部比較薄弱容易出問題的環節，屬于易損件。UPS可靠性很大程度決定于風冷系統的可靠性。UPS內一般裝有兩個溫度檢測元件，來檢測整流器和逆變器的溫度。當溫度達到70 ℃時，UPS產生過溫的報警。當溫度達到90 ℃時，系統關閉整流器和逆變器，切換至旁路供電運行，負載處于不穩定的市電供電，得不到保護，可靠性顯著下降^[8-9]。

    提高UPS供電運行可靠性，是系統具備良好的散熱性能，可以從以下幾個方面考慮。

    (1)UPS內部設置過濾網，減少進入設備內部的灰塵顆粒；電路板豎放，以減少電路板上的積灰，提高可靠性。軸流風扇的使用壽命實際上取決于軸承的壽命，而軸承的壽命由工作溫度和清潔度來決定。少塵、散熱良好的工作環境，有利于延長風扇的壽命^[10]。

    (2)采用集中式冗余散熱，將器件散熱片集中在一腔室空間中，設計散熱風道；進行散熱冗余設計，即使有風扇故障，也要保證系統正常散熱^[10-11]。

    (3)加強風扇更換的可操作性，可帶電更換風扇，維修方便。

5 風扇現場使用建議

    經驗表明，對UPS系統進行適當的維護，其預期壽命與可靠性顯著提高。現對UPS風扇現場使用提出建議，如表3所示，望在使用中有一定的參考價值。

參考文獻

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作者信息:

孫海華

(浙江郵電職業技術學院，浙江 紹興312000)