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）

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，因為電廠UPS系統(tǒng)眾多，因此型號也不盡相同，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)防性維護中，強化安全意識，科學(xué)考慮各類電容的老化及壽命，及時更換，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)計還會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。如果沒有電容濾波，那么UPS系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量會很差，無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極間，當(dāng)電容老化擊穿，則直接導(dǎo)致直流正負極短接，造成主回路損毀。因為此處還與蓄電池直連，故障時會直接跳開主回路進線開關(guān)和蓄電池進線開關(guān)。但此時仍可由靜態(tài)開關(guān)切至旁路運行。

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，在負載之前，這種設(shè)計下，電容短路會導(dǎo)致負載直接失電，且無法切至旁路。

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。電容器老化最嚴重的故障就是上述擊穿導(dǎo)致隔直失效，造成正負極極間短路。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，最多的就是因為電容自然老化導(dǎo)致?lián)舸?。對電容器這一元件的特性認識不足，導(dǎo)致在預(yù)防性維修工作中，沒有考慮電容壽期，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，這種電流量級非常小，但仍會導(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)都會導(dǎo)致電容容值下降和等效電阻增加。

對于電解電容來說，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。工作時內(nèi)部溫度越高，老化過程進行越快，因此，電解電容的老化過程與其內(nèi)部溫度密切相關(guān)。除此之外，電容在制造過程中，難免會在內(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，都會有這樣的老化過程，因此在運行過一段時間后，電容的故障概率會逐漸增大。而且，因為一組電容器通常不止含有一個電容，整租電容中的一個發(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，在允許的范圍內(nèi)，流過的紋波電流越大，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)紋波電流流過電容器時，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。

相比較來說，電解電容體積遠大于薄膜電容，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、能承受反壓而且可以長時間儲存等優(yōu)點，因此在實際應(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

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

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

對于薄膜電容，盡可能在容值最大損失5%到10%可以進行更換，對鋁電解電容最大損失15%-20%來更換，因此，在預(yù)計的電容壽期末，需要定期對電容進行測量。除此之外，還要測量等效串聯(lián)電阻的值，如果該值增加較大，鋁電解質(zhì)電容超過200%，薄膜電容超過100%，就可以進行進一步評估，是否需要更換。

4 總結(jié)

影響電容壽命最主要的幾個方面，需要在電力設(shè)備維護中重點考慮，定期測量電容容值、記錄年檢數(shù)據(jù)，可以了解電容器的老化進程，并通過可靠性計算等方式，最終確定一個壽命終止的標(biāo)準，并及時更換，確保UPS系統(tǒng)能夠拿更長的安全供電壽命。避免因為電容器的損壞，導(dǎo)致更嚴重的電氣事故發(fā)生。

［責(zé)任編輯：李書培］