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溫度是導致電力電子變流裝置功率器件故障與失效的主要原因，電力電子器件失效應力源及檢修作業(yè)量分布如圖1所示。圖1a為導致功率器件失效的主要應力源及所占的比例，可以看出，電力電子器件失效的主要應力源為溫度應力。因此，溫度對功率變流裝置的可靠性至關重要，溫度越高，其可靠性和耐久性就會越差。

散熱器作為變流器散熱的重要部件，其作用是將功率器件的熱量及時交換到外界，使功率器件運行在正常的溫度范圍內(nèi)，保證功率器件的可靠運行和使用壽命。但在長期運行中，外界環(huán)境中的污垢隨氣流進入到散熱器風道，使得散熱器散熱性能下降，最終導致功率器件運行在高溫下，發(fā)生故障并失效。

圖1器件失效應力源及檢修作業(yè)量分布

軌道交通領域對列車散熱器狀態(tài)的檢測手段大多采用人工定期巡檢維護的方法，此方法需要在列車停車時進行，且存在定期巡檢的盲目性和人眼評估的不準確性，經(jīng)常造成散熱器的“過維護”和“欠維護”問題，且浪費大量的人力成本和維護成本。

圖1b為某雙饋變流器檢修作業(yè)量分布，可以看出，散熱系統(tǒng)日常維護在檢修工作量中占據(jù)較高比重。因此，預測散熱器的性能是保證變流器可靠性和延長電子器件壽命的重要工作之一，將極大地減少檢修維護工作量，大幅節(jié)約運維成本。

北京交通大學電氣工程學院等單位的研究人員在以上研究的基礎上，針對現(xiàn)階段存在的不足，對散熱器性能的退化機理進行理論分析，并基于變流器現(xiàn)有傳感器，提出一種散熱性能智能在線檢測模型，可實時檢測散熱器狀態(tài)，為運維決策提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)散熱器的狀態(tài)檢修，節(jié)省大量的運維成本。

圖2 散熱器狀態(tài)在線預測模型流程

他們指出，散熱器在復雜的環(huán)境中長時間運行，會導致其散熱性能的下降，其主要原因是污垢使得風道內(nèi)的壓降呈指數(shù)增加，散熱風扇P-Q曲線決定了風扇所能提供的風量，因此使得風道內(nèi)的風量呈指數(shù)下降，同時污垢相當于隔熱層，兩部分原因使得散熱器的熱阻增加。

圖3 實驗平臺實物

實驗研究表明，散熱器的穩(wěn)態(tài)熱阻、熱容、熱時間常數(shù)與堵塞程度都呈指數(shù)關系，因此為散熱器的在線狀態(tài)預測提供可行方案，工程應用中可以降低大量的運維成本，代替離線式人工檢測，提高檢測效率。

本文編自2021年第20期《電工技術學報》，論文標題為“電力電子變流裝置散熱器狀態(tài)智能預測方法”，作者為付和平、陳杰 等。