0 引言

    在UPS系统的应用中，其自身元件质量、工作环境以及负载状况等因素，都会影响到UPS系统的故障率和稳定水平^[1]。UPS系统在运行过程中，元器件产生的热量通过对流、辐射等形式散发到周围环境中去，导致环境空气与元器件表面温差升高。这些元器件包括：电感、变压器、功率半导体器件、电容、电阻等。表1给出了各元器件效率的典型值。

    UPS工作在不同的模式下，产生的热量也不相同。在UPS绝大部分运行时间内，工作在主路逆变状态，运行效率达80%~98%。UPS的2%~20%功率会转化成热量。一个100 kVA的UPS系统可以产生5 kW~10 kW的热量。UPS因散热等外在因素降低了其容量的使用效率^[2-3]。对于大型的UPS来说，电气元器件多，热量损耗大，效率很容易低于95%，低于90%也是非常常见的。这就意味着5%到10%的功率转换成热量消耗了。

    当UPS风扇故障时，元器件外壳与外界温度差会超过40 ℃。器件表面到内部热源还有5 ℃到15 ℃的温差。通过强制空气冷却，40 ℃的温升可以降到10 ℃以下。几乎所有功率等级的UPS都会使用强制空气冷却，来降低器件的温升。

    散热风扇主要由外壳、叶片和包括轴承和润滑系统的电机组成。这些风扇部件中，许多已经从原先的金属材质改用塑料材质。像其他电气元件一样，散热风扇也有一定的寿命期限。风扇厂家通过实验室测试，给出在额定运行条件下的预期使用寿命。在特定使用条件下，风扇的寿命也可由厂家提供的公式计算得出。

    UPS的寿命与可靠性部分取决于单个元器件的表面温升大小。除此以外，绝缘材料之间的电场、振动、湿度也是加速UPS老化的因素。本文仅讨论温度和散热风扇对UPS可靠性的影响，分析元器件温度大小致使UPS预期寿命下降的原因。比较强制空气对流冷却在降低温度方面比自然空气对流冷却的优势。对散热风扇的可靠性进行建模分析，最后讨论其对UPS系统可靠性的影响。

1 温升对元器件可靠性的影响

    固体材料元器件的绝缘性能随着温度升高而退化。绝缘材料的寿命通常与漏电流的大小成反比^[4-5]。不同的老化过程导致漏电流增加和绝缘电阻降低，表现为物质氧化、化合物分子分裂和离子污染物增加，这三种变化都与温度大小有关。Arrhenius模型阐述了由于温升引起的热降解作用与使用寿命的关系，其方程式如式(1)所示。

式中：L(T)是在最大壳体温度T下工作元器件的预期使用寿命；L(T₀)是由元器件厂家提供的使用寿命温度系数。

    根据式(2)可以得出，在最大允许温度范围内，温度每增加10 ℃，使用寿命就会减少一半^[6-7]。厂家提供的温度寿命系数取值大约在1.6~3范围内。值得注意的是温度增长的基数。当温度从70 ℃增加到80 ℃时，使用寿命可能减少一半，但是当温度从30 ℃增加到40 ℃时，使用寿命的变化小得多。在40 ℃以下几乎没有温度退化现象。实际的温度使用寿命系数在不同的温度段可能差距较大。

    如何为一个完整的UPS系统建立使用寿命温度参数模型，业界仍存在分歧，但提高UPS系统运行温度会导致其使用寿命降低的结论毋庸置疑。

2 自然对流冷却与强制对流冷却

    UPS内部主要散热的方式为自然和强制空气对流冷却。热传递可用式(3)来估算。主要的难点在于估计强制对流空气与自然空气对流的空气流量体积。

式中：Q为传递的热量；F为气体流速，单位为每分钟立方英尺，CFM；C_P为一定温度和密度的空气比热容。

    空气的比热容和密度都随局部温度变化而变化。假设这两者均为常数，式(3)可简化成如图1所示，来表述传递热量、气流速度及温差三者之间的关系。

    从图1中可以看出，为了降低空气流速，进出空气温差必须加大，以保持恒定的热传递速率。每千瓦的热量传递需要大约100 CFM的空气流量，以保持小于10 ℃的温差，从而在器件内部保持较小的温升。

    强制对流冷却与自然对流冷却相比，容积风量差异较大。强制空气冷却中，风扇通过压缩空气产生压差，从而迫使空气流动，空气流速可达200 CFM。在自然对流的情况下，温度差引起气体密度的变化，也可导致压力差和空气流量，但空气流量要小得多。自然对流产生的气流速度比风扇产生的气流速度要小得多。

3 散热风扇的可靠性建模

    散热风扇具有不同尺寸、特性，可由不同的电机技术驱动。最常见的两种是轴流风扇和离心风扇，如图2所示。

    功率半导体通常配有散热器，两者通过导热性能好的硅胶连接在一起。散热器设计在UPS内部的一个腔室中。散热风扇通常安装在这个腔室的顶部或底部，将冷空气吸入或将热空气排出UPS。还有其他安装布置，例如安装在散热器的一侧。典型的UPS系统如图3所示，图中给出了典型UPS系统中的多个不同风扇和不同风扇位置。

    驱动风扇运转的电机也分很多种类。表2给出了不同功率等级下使用的电机种类。

    影响风机可靠性的主要机械设计参数是轴承技术。电机轴承有两种不同的形式：套筒轴承或滚珠轴承加上密封润滑系统。使用套筒轴承或滚珠轴承的分界范围是100～200 CFM。

    风扇既有机械故障也有电气故障。机械故障主要由轴承磨损引起，也可能是由于风扇叶片和外壳随使用时间变形而引起。越来越多的金属风扇外壳与叶片正在被塑料外壳所取代。电气故障是由于电机线圈老化，最终无法转动或线圈接地引起的。其中机械故障远比电气故障概率要高，大约占总故障的65%。

    为防止微小颗粒进入冷却气流中，通常的做法是在风机侧增加过滤装置。空气流动过程中往往造成静电增加。机房环境、静电、尘埃颗粒导致过滤孔隙率降低等因素将导致空气流速降低。如果没有维修和更换操作，UPS内部的强制气流将随着时间的推移而减少。

    随着时间的推移，风扇和电机出现故障的频次是逐渐增加的。在逐渐老化期间，风扇的转速和空气流量不断降低。

    在相同条件下运行的一组风扇，它们的失效时间不对称分布。这种分布称为概率密度函数，通常使用Weibull函数建模。风扇具有特定的使用寿命和故障概率。Weibull分布是风机可靠性模型的首选。其原因有：(1)作为一个封闭形式方程，其解可由代数方法算出；(2)Weibull函数具有矩阵的封闭形式解；(3)许多软件中包含Weibull函数。

    Weibull模型关键在于两个特征参数，特征寿命类似于非对称分布中的模式，形状因子决定概率分布的宽度和非对称性。Weibull分布的方程式如式(4)所示。

    在过去的20年中，人们对风机故障进行了广泛的研究。一些大型厂家对用户提供了特征寿命和形状因子。一般来说，带套筒轴承风扇的特征寿命是75 000小时左右，带滚珠轴承的风扇的特征寿命是15 000小时左右。形状因子在2.0~5之间，典型值为3.25。

    图4是两个不同的失效概率曲线图，这两个曲线具有相同的形状因子3.25。从图4中可知，5~8年期间内，UPS中的风扇失效的概率可能为5%~10%。对于特定的可靠性曲线，需要特定的环境信息和风扇可靠性信息。MTBF（平均故障间隔时间）是用于表征特定部件的宏观使用寿命平均值。如果研究微观失效模型，则需要基于Weibull或等效分布模型的可靠性曲线。

4 风机可靠性对大型UPS可靠性的影响

    UPS的可靠性量化需要大量的建模、实验室测试和现场验证。如果没有日常预防性维护操作，用于强制空气冷却的空气流速将缓慢降低，导致UPS中单个部件的外壳或表面温度上升。随着时间推移，这将降低单个部件的有效使用寿命，其中电容器和功率半导体对表面或外壳温度的微小增加最敏感。过滤器中的污垢堆积；轴承润滑降低；电机摩擦增加；塑料风扇部件变形，这也可能导致摩擦增加；以及电气故障，都可能降低电机的功率或导致电机完全停止转动，致使冷却空气流量减少。

    散热风扇每秒钟都在运转，是UPS内部比较薄弱容易出问题的环节，属于易损件。UPS可靠性很大程度决定于风冷系统的可靠性。UPS内一般装有两个温度检测元件，来检测整流器和逆变器的温度。当温度达到70 ℃时，UPS产生过温的报警。当温度达到90 ℃时，系统关闭整流器和逆变器，切换至旁路供电运行，负载处于不稳定的市电供电，得不到保护，可靠性显著下降^[8-9]。

    提高UPS供电运行可靠性，是系统具备良好的散热性能，可以从以下几个方面考虑。

    (1)UPS内部设置过滤网，减少进入设备内部的灰尘颗粒；电路板竖放，以减少电路板上的积灰，提高可靠性。轴流风扇的使用寿命实际上取决于轴承的寿命，而轴承的寿命由工作温度和清洁度来决定。少尘、散热良好的工作环境，有利于延长风扇的寿命^[10]。

    (2)采用集中式冗余散热，将器件散热片集中在一腔室空间中，设计散热风道；进行散热冗余设计，即使有风扇故障，也要保证系统正常散热^[10-11]。

    (3)加强风扇更换的可操作性，可带电更换风扇，维修方便。

5 风扇现场使用建议

    经验表明，对UPS系统进行适当的维护，其预期寿命与可靠性显著提高。现对UPS风扇现场使用提出建议，如表3所示，望在使用中有一定的参考价值。

参考文献

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作者信息:

孙海华

(浙江邮电职业技术学院，浙江 绍兴312000)