不間斷UPS電源屏溫度異常分析及處理

唐 君 熊 杰 謝小軍

（華自科技股份有限公司）

0 引言

某項目現場中控室配備了一臺不間斷UPS電源屏（寬深高為800mm×600mm×2260mm），屏內裝有1臺10kVA不間斷電源、1臺10kVA三相輸入隔離變壓器（編號1TV1）、1臺10kVA兩相輸出隔離變壓器（編號1TV2）、1個溫濕度控制器、1個風機（型號1725HA2BMT）、多個空開輸出回路等元器件，為現場通信、視頻等設備提供電源。在項目投運過程中，通過紅外測溫儀測量柜內的隔離變壓器溫度，1TV1溫度最高達97.6℃，1TV2溫度最高達到132℃，而此時環境溫度約為7℃，UPS負載僅38%，且柜頂風機一直處于運行狀態。

根據GB／T 1094.11《電力變壓器第11部分：干式變壓器》［1］繞組溫升限值規定可知：當變壓器1TV1絕緣等級等于或高于F級時（F級絕緣系統最高允許溫度155℃，額定電流下的繞組溫升限值100K），不符合規范要求；當變壓器1TV2為H級絕緣時（H級絕緣系統最高允許溫度180℃，額定電流下的繞組溫升限值125K）也不符合規范要求；UPS控制器與隔離變組屏在一起時，屏柜存在溫度過高現象。

1 溫度過高原因分析

變壓器在工作時，鐵心和繞組中都有能量損失，這些能量損失一方面使變壓器的效率降低；另一方面，這些損失的能量將轉變為熱能，使變壓器發熱［2］。對于變壓器溫度過高問題，主要從元件本身性質及其所處環境兩個方面進行分析。

從自身來看，變壓器發熱問題，主要是由以下幾種情況導致：①變壓器設計不合理，如相關參數和實際運行的參數不匹配造成磁密增加，或變壓器硅鋼片的性能水平沒有達到設計要求導致空載損耗大；②變壓器故障，如鐵心出現多點接地、繞組局部層間或匝間短路等導致過熱；③變壓器制造工藝不達標。

從運行環境來看，變壓器發熱問題，主要由以下幾種情況導致：①變壓器長期過負荷運行；②散熱通風不暢，風路不暢或風機問題；③變壓器所處電氣環境惡劣，含諧波較多。

2 現場問題分析

首先從變壓器本身問題出發，重新采用三套UPS及配套變壓器，容量分別為8kVA、10kVA和15kVA，在空曠廠房環境且空載情況下，測得變壓器繞組表面溫度數據如下表所示。

表 空載溫升試驗變壓器繞組溫度數據

基于表中數據，按B級絕緣考慮（B級絕緣系統最高允許溫度130℃，額定電流下的繞組溫升限值80K），就算自然環境溫度40℃的情況下，配套變壓器皆滿足規范要求。從而判斷此容量等級配套變壓器在設計原理和制造工藝方面沒有問題。

從運行環境來分析，因現場負載僅為38%，不考慮過負載情況，另外諧波影響因為有62%的容量緩沖，也不予考慮，最大的可能就是散熱通風不暢或風機問題造成的。而風機一直在運行，所以造成現場元件過溫的最大可能是散熱通風量不夠。

對通風散熱進一步分析，項目現場不間斷電源屏風道布置如下（見圖1）：①屏柜頂部設置出風口，在頂部中央安裝了一臺卡固風機（型號1725HA2BMT帶防護網SVF104，圓形，通風口直徑162mm，風量200／220CFM），出風口面積約為π·d2／4＝3.14×1622／4＝20601.5mm2；②柜后雙開門（高寬尺寸約2000mm×380mm）上下200mm范圍內分別布置3條百葉窗進風孔（每條百葉窗進風孔由48個280.5mm小方孔組成），經計算4個進風口面積皆為2016mm2，總計進風面積為8064mm2。

圖1 原柜體進出風口布置示意圖

1）對于單向強排風道，實際上只需考慮進風口面積適當大于出風口面積就可以了，可此屏柜總進風口面積只占總出風口面積的39%，風機處于強負壓下運行，所以此處不合理。

2）雙開門上側進風口靠近出風口，而雙開門下側進風口離出風口約有2m的距離，由于風阻的存在，雙開門上側進風口風量會大于下側進風口風量，上部進風與出風處于“風道短路”狀態。該屏柜的通風結構是不合理的，因為發熱變壓器安裝于屏柜底部，更接近雙開門下側進風口。

3）屏柜內散熱，相當于密閉室內消除余熱。消除室內余熱所需要的換氣量按下式計算：

式中，L為全面通風換氣量，m3／h；Q為余熱量，kW；c為空氣的比熱，1.01kJ／kg·K；ρ為進入空氣的密度，kg／m3；tp為排出空氣的溫度，℃；tj為進入空氣的溫度，℃［3］。

由于柜內配備兩臺10kVA隔離變壓器，皆按10%損耗計算［4］，發熱量為2kW；ρ取1.13kg／m3；進入空氣和排出空氣溫差取10℃，則：

1CFM＝0.028136847（m3／min），那么總計所約需337.68CFM，而實際風機風量為200／220CFM，故風機排風量過小，需增大容量。

3 改進措施

基于以上分析，得出如下設計改進措施：

1）設計時需保證進風口面積應該比出風口面積大，按經驗值，一般進風口面積應大于或等于出風口面積的1.5～2倍。

2）對于此UPS屏，設計時需取消雙開門上側進風口。

3）選擇兩臺200／220CFM的風機，那么出風口面積為2×20601.5＝41203mm2，則進風口面積需61800～82400mm2。

在實際整改過程中，在頂部增加了一臺同型號排風機，重新更換了屏后雙開門，于屏后雙開門下方660×260區域內，左右各開821個正六邊形小孔（邊長為4.6mm，面積54.97mm2），見圖2，總計進風面積90260mm2。另外為保證變壓器充分散熱，也同步更換柜體的底板，在底板上設置470個小孔，約25836mm2進風面積，總進風口面積達到116096mm2。經過整改，現場不間斷電源屏內部的隔離變壓器溫度得到有效降低。

圖2 改進后柜體進出風口布置示意圖

4 改進建議

為保證通風散熱的穩定性，提出以下三點設計建議：

1）由于風機在整個散熱過程中起到了關鍵作用，建議增加風機故障實時監測報警，方便風機故障時檢修人員及時發現并采取相應措施。

2）風機由溫濕度控制器來啟動，建議將溫度探頭安裝于發熱變壓器附近，使得風機能及時啟動。

3）在控制噪聲的前提下，建議選型時只選擇一臺風機。因為選用多臺風機（一般臨近安裝），當某一臺損壞時，該出風口就會變成進風口，而且很靠近其他出風口，影響散熱效果。

5 結束語

通過實踐證明，屏柜通風散熱設計可按以下思路進行：

1）基于元件發熱量，計算出散熱所需通風量；

2）基于通風量計算出風機容量，選擇合適的風機，確定好出風口面積；

3）基于出風口面積，按1.5～2倍計算進風口面積；

4）進出風口的布置，盡量使得發熱元件處于風道中；

5）對散熱要求較高的場合，還需對風機故障進行監測。

此種思路也可以應用于箱變、預制艙、勵磁變柜等含發熱元件的屏（箱）柜的設計。