唐萊智 趙立婷

（海南核電有限公司，海南 昌江572733）

核電廠UPS電容老化及壽期管理

唐萊智 趙立婷

（海南核電有限公司，海南 昌江572733）

電容在電力設(shè)備中應(yīng)用極其廣泛，本文討論了UPS系統(tǒng)中大容量直流電解電容和交流薄膜電容，因?yàn)殡姀SUPS系統(tǒng)眾多，因此型號(hào)也不盡相同，因此所采用的電容也有所區(qū)別，但其特定工況老化、失效模式、期望使用壽命及預(yù)防維護(hù)等方面都是有一定規(guī)律的，本文分析了電容老化的一些主要原因，并在電廠預(yù)防性維護(hù)中，強(qiáng)化安全意識(shí)，科學(xué)考慮各類電容的老化及壽命，及時(shí)更換，避免因電容故障導(dǎo)致供電喪失。

直流電解電容；交流薄膜電容；老化

0 前言

電容在UPS系統(tǒng)中的應(yīng)用廣泛，大功率電容器主要分為交直流兩種，雖然型號(hào)眾多，但在線式UPS系統(tǒng)中，電容的功能相同的，主要用于整流濾波、穩(wěn)壓等。

在線式UPS的主要部分為：（1）整流器，用于將輸入交流變換為直流。（有些設(shè)計(jì)還會(huì)在整流器前增加交流電容器，用于輸入端濾波）（2）CB02直流母線電容，在整流器和蓄電池之后，用于維持直流母線電壓穩(wěn)定以及直流濾波。（3）逆變器，用于將直流母線電壓逆變成交流輸出。（4）CB03輸出交流電容，用于輸出端濾波。

直流電解電容，介質(zhì)材料為三氧化二鋁，鋁箔為電極，用于直流濾波。交流薄膜電容介質(zhì)材料為聚丙烯，用于交流濾波。如果沒(méi)有電容濾波，那么UPS系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量會(huì)很差，無(wú)法滿足供電可靠性要求。

1 電容老化擊穿事故

直流電容接在整流器輸出端正負(fù)極間，當(dāng)電容老化擊穿，則直接導(dǎo)致直流正負(fù)極短接，造成主回路損毀。因?yàn)榇颂庍€與蓄電池直連，故障時(shí)會(huì)直接跳開(kāi)主回路進(jìn)線開(kāi)關(guān)和蓄電池進(jìn)線開(kāi)關(guān)。但此時(shí)仍可由靜態(tài)開(kāi)關(guān)切至旁路運(yùn)行。

但一些老式的UPS，電容設(shè)置在主回路和旁路的總輸出回路上，在負(fù)載之前，這種設(shè)計(jì)下，電容短路會(huì)導(dǎo)致負(fù)載直接失電，且無(wú)法切至旁路。

交流電容同樣存在這種擊穿的可能性，導(dǎo)致交流輸出端短路。電容器老化最嚴(yán)重的故障就是上述擊穿導(dǎo)致隔直失效，造成正負(fù)極極間短路。在UPS歷史中，電容擊穿導(dǎo)致設(shè)備損毀的案例不勝枚舉，在排除偶然性故障后，最多的就是因?yàn)殡娙葑匀焕匣瘜?dǎo)致?lián)舸?。?duì)電容器這一元件的特性認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致在預(yù)防性維修工作中，沒(méi)有考慮電容壽期，最終導(dǎo)致巨大損失。

2 電解電容老化的原因分析

交直流電容的老化源于兩個(gè)基本原理：第一是化學(xué)反應(yīng)，熱量和元件內(nèi)部化學(xué)雜質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)材料的絕緣惡化，例如氧化物，水分，濕氣，鹵素等等。第二種是漏電，電容介質(zhì)材料在施加電壓后，雖然可以被認(rèn)為是絕緣的，但仍有微小電流，這種電流即漏電流，這種電流量級(jí)非常小，但仍會(huì)導(dǎo)致局部熱量升高或?qū)е虏牧想娮踊钴S度增加。漏電流和化學(xué)反應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致電容容值下降和等效電阻增加。

對(duì)于電解電容來(lái)說(shuō)，老化主要源于內(nèi)部電解質(zhì)散失，隨著電解質(zhì)減少，電容值減少。工作時(shí)內(nèi)部溫度越高，老化過(guò)程進(jìn)行越快，因此，電解電容的老化過(guò)程與其內(nèi)部溫度密切相關(guān)。除此之外，電容在制造過(guò)程中，難免會(huì)在內(nèi)部留存化學(xué)雜質(zhì)。因此，我們目前所使用的電解電容和薄膜電容，都會(huì)有這樣的老化過(guò)程，因此在運(yùn)行過(guò)一段時(shí)間后，電容的故障概率會(huì)逐漸增大。而且，因?yàn)橐唤M電容器通常不止含有一個(gè)電容，整租電容中的一個(gè)發(fā)生擊穿，就能導(dǎo)致事故發(fā)生。

另外，紋波電流的大小也是造成電容壽命降低的原因之一，由紋波電流產(chǎn)生的熱損耗，是影響電解電容器使用壽命的重要因素，當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，在允許的范圍內(nèi)，流過(guò)的紋波電流越大，電解電容器使用壽命越短，其原因在于電解電容散熱性較差，當(dāng)紋波電流流過(guò)電容器時(shí)，在等效串聯(lián)電阻上將電能轉(zhuǎn)化成熱能，因此溫度上升，導(dǎo)致壽命降低。

相比較來(lái)說(shuō)，電解電容體積遠(yuǎn)大于薄膜電容，且在壽命、安全性等方面不如薄膜電容。而且薄膜電容具有耐壓高、電流承受能力強(qiáng)、能承受反壓而且可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，薄膜電容正在逐步替代電解電容。

3 電容壽命的估計(jì)

電容器壽命的計(jì)算有很多種方法：例如通過(guò)計(jì)算電解質(zhì)剩余提交來(lái)估算剩余壽命；通過(guò)計(jì)算電容的等效串聯(lián)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)損傷評(píng)估；通過(guò)計(jì)算點(diǎn)解電容核心溫度的的理論計(jì)算方法，對(duì)于使用阿倫尼烏斯方程的電解電容壽命評(píng)估方法，并采用參數(shù)辨識(shí)的方法對(duì)電解電容的等效串聯(lián)電阻進(jìn)行提取，以之作為估算電解電容損傷；通過(guò)直流紋波電壓和電流的基波比值，計(jì)算等效串聯(lián)電阻，并在紋波電壓和電流中濾除其之路成分，防止負(fù)載變化的干擾。

但是由于電容壽命評(píng)估只是一個(gè)指導(dǎo)原則，且理論計(jì)算只是考慮理想運(yùn)行環(huán)境及固有特性前提，因此數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確度，在使用量龐大的電容中，無(wú)法預(yù)知第一個(gè)電容會(huì)在什么時(shí)候出現(xiàn)故障失效，因此需要根據(jù)電容壽命的評(píng)估，在壽期末定期進(jìn)行更換，才能確保供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于薄膜電容，盡可能在容值最大損失5%到10%可以進(jìn)行更換，對(duì)鋁電解電容最大損失15%-20%來(lái)更換，因此，在預(yù)計(jì)的電容壽期末，需要定期對(duì)電容進(jìn)行測(cè)量。除此之外，還要測(cè)量等效串聯(lián)電阻的值，如果該值增加較大，鋁電解質(zhì)電容超過(guò)200%，薄膜電容超過(guò)100%，就可以進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，是否需要更換。

4 總結(jié)

影響電容壽命最主要的幾個(gè)方面，需要在電力設(shè)備維護(hù)中重點(diǎn)考慮，定期測(cè)量電容容值、記錄年檢數(shù)據(jù)，可以了解電容器的老化進(jìn)程，并通過(guò)可靠性計(jì)算等方式，最終確定一個(gè)壽命終止的標(biāo)準(zhǔn)，并及時(shí)更換，確保UPS系統(tǒng)能夠拿更長(zhǎng)的安全供電壽命。避免因?yàn)殡娙萜鞯膿p壞，導(dǎo)致更嚴(yán)重的電氣事故發(fā)生。

［責(zé)任編輯：李書(shū)培］