温度是导致电力电子变流装置功率器件故障与失效的主要原因，电力电子器件失效应力源及检修作业量分布如图1所示。图1a为导致功率器件失效的主要应力源及所占的比例，可以看出，电力电子器件失效的主要应力源为温度应力。因此，温度对功率变流装置的可靠性至关重要，温度越高，其可靠性和耐久性就会越差。

散热器作为变流器散热的重要部件，其作用是将功率器件的热量及时交换到外界，使功率器件运行在正常的温度范围内，保证功率器件的可靠运行和使用寿命。但在长期运行中，外界环境中的污垢随气流进入到散热器风道，使得散热器散热性能下降，最终导致功率器件运行在高温下，发生故障并失效。

图1器件失效应力源及检修作业量分布

轨道交通领域对列车散热器状态的检测手段大多采用人工定期巡检维护的方法，此方法需要在列车停车时进行，且存在定期巡检的盲目性和人眼评估的不准确性，经常造成散热器的“过维护”和“欠维护”问题，且浪费大量的人力成本和维护成本。

图1b为某双馈变流器检修作业量分布，可以看出，散热系统日常维护在检修工作量中占据较高比重。因此，预测散热器的性能是保证变流器可靠性和延长电子器件寿命的重要工作之一，将极大地减少检修维护工作量，大幅节约运维成本。

北京交通大学电气工程学院等单位的研究人员在以上研究的基础上，针对现阶段存在的不足，对散热器性能的退化机理进行理论分析，并基于变流器现有传感器，提出一种散热性能智能在线检测模型，可实时检测散热器状态，为运维决策提供数据支持，实现散热器的状态检修，节省大量的运维成本。

图2 散热器状态在线预测模型流程

他们指出，散热器在复杂的环境中长时间运行，会导致其散热性能的下降，其主要原因是污垢使得风道内的压降呈指数增加，散热风扇P-Q曲线决定了风扇所能提供的风量，因此使得风道内的风量呈指数下降，同时污垢相当于隔热层，两部分原因使得散热器的热阻增加。

图3 实验平台实物

实验研究表明，散热器的稳态热阻、热容、热时间常数与堵塞程度都呈指数关系，因此为散热器的在线状态预测提供可行方案，工程应用中可以降低大量的运维成本，代替离线式人工检测，提高检测效率。

本文编自2021年第20期《电工技术学报》，论文标题为“电力电子变流装置散热器状态智能预测方法”，作者为付和平、陈杰 等。