鋁電解電容的老化機(jī)理及壽命預(yù)測研究

趙鵬

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳518124）

1 引言

由于某核電站的在役運行時間越來越長，運行設(shè)備的老化情況也引起了一定的關(guān)注。該核電站的儀表控制、相關(guān)低壓電氣設(shè)備從建站起已將近30年。鋁電解電容作為核電站儀表控制、相關(guān)低壓電氣設(shè)備的關(guān)鍵元器件被廣泛地應(yīng)用于諸多系統(tǒng)中，長期運維發(fā)現(xiàn)在役和庫存?zhèn)浼母鞣N型號的電容呈現(xiàn)程度不一的老化趨勢。電解電容老化程度輕的會導(dǎo)致設(shè)備性能降級，影響核電站運行可靠性，重的會引起停機(jī)停堆等重大事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失及社會影響。因此，如何在日常運維過程中有效保證電解電容的可靠運行，成了一個需要迫切解決的問題。

本文針對某核電站重要直流及不間斷電源系統(tǒng)鋁電解電容的運維情況，研究電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與老化失效機(jī)理，指出溫度引起的熱應(yīng)力是影響電解電容使用壽命的決定性因素，同時研究了環(huán)境溫度、紋波電流對使用壽命的影響，研究基于阿氏模型并結(jié)合電容的特征參數(shù)的壽命預(yù)測模型，并依據(jù)電容工作情況評估電容的剩余使用壽命，給出電容使用壽命延長方案，為電解電容器的壽期管理提供技術(shù)支持。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與老化失效機(jī)理

鋁電解電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是將附有氧化膜的鋁箔（正極）和浸有電解液的襯墊紙，與陰極（負(fù)極）箔疊片一起卷繞而成。正負(fù)極金屬箔片之間有兩層浸過電解液的電解紙充當(dāng)電介質(zhì)和絕緣介質(zhì)，外型封裝有管式、立式，并在鋁殼外有藍(lán)色或黑色塑料套。

如圖1，電解電容的安全工作區(qū)域由額定紋波電流與最高允許使用溫度構(gòu)成。相較于其他電子元器件，電解電容屬于使用壽命較短的元器件，當(dāng)其老化發(fā)展到一定程度時，電容的靜態(tài)容量、等效串聯(lián)電阻ESR、漏電流等關(guān)鍵性能參數(shù)均將發(fā)生重大變化，影響整個設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。

鋁電解電容在實際應(yīng)用的初期與穩(wěn)定期內(nèi)的故障率呈現(xiàn)較低狀態(tài)，但隨著內(nèi)部電解液不斷揮發(fā)，電解電容的外觀和關(guān)鍵性能參數(shù)都會隨之變化。電解電容中心核溫由環(huán)境溫度和紋波電流與ESR所產(chǎn)生的內(nèi)部溫升決定。電解液的揮發(fā)速率又會隨著電容核心溫度的升高而加快，進(jìn)而導(dǎo)致電容的ESR變大，靜態(tài)容量值變小，從而形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致電解電容電解液揮發(fā)加速、伴隨壓力上升、溫升變大，最終導(dǎo)致電解液干涸，電容功能失效，如圖2。

圖1 電解電容工作區(qū)域

圖2 老化電容電解液干涸電解紙變色

3 電容壽命影響因素

電容老化失效機(jī)理指出溫度是影響電容使用壽命的主要因素。以溫度為加速壽命試驗（ALT）的唯一環(huán)境應(yīng)力，電容失效時間呈指數(shù)分布，則可采用化學(xué)動力學(xué)中的阿氏模型對其進(jìn)行壽命預(yù)測與評估。目前，Rubycon、Nichicon、NCC等電解電容頭部供應(yīng)商在其產(chǎn)品手冊中所使用的壽命預(yù)測模型，均是以阿氏模型為基礎(chǔ)，并考慮環(huán)境溫度、紋波電流的影響。

3.1 環(huán)境溫度

電解電容失效機(jī)理顯示，電解電容的老化失效是持續(xù)發(fā)生的化學(xué)過程，Rubycon公司基于阿氏模型與經(jīng)驗數(shù)據(jù)提供了電解電容的壽命預(yù)測模型公式：

式中：TR是產(chǎn)品手冊給出的電容最高允許工作溫度；TA是電容的實際工作環(huán)境溫度；LR為產(chǎn)品手冊給出電容在溫度TR條件下特征壽命；LN為電容在溫度TA條件下的預(yù)測壽命。其中表征了周圍環(huán)境溫度對電容壽命的影響。在紋波電流一定的情況下，可知電解電容的工作環(huán)境溫度每下降10攝氏度，其使用壽命便會延長1倍。相反，環(huán)境溫度每升高10攝氏度，其使用壽命就會縮短1倍，一旦環(huán)境溫度過高，超出電解電容的最高允許工作溫度，將會造成電解電容中電解液沸騰，產(chǎn)生內(nèi)部過壓并進(jìn)行不可逆泄壓動作，導(dǎo)致電解液泄漏，使電解電容永久損壞。因此，可通過盡可能降低工作環(huán)境溫度，來延長電解電容的使用壽命。

3.2 紋波電流

相較于金屬化薄膜電容、陶瓷電容等其他類型電容，電解電容的損耗正切值tanδ較大，tanδ跟溫度及電壓相關(guān)，tanδ值越大，電容發(fā)熱就越大，它是交流電壓下介質(zhì)中的能量損耗標(biāo)稱。當(dāng)交流分量電流流經(jīng)電解電容時，相應(yīng)損耗就會產(chǎn)生并引起內(nèi)部溫升。該溫升對于電解電容預(yù)測壽命的影響也遵循公式（1），由公式表征，C為與電容類型相關(guān)的常數(shù)，可以查詢產(chǎn)品手冊得到。Tr與環(huán)境溫度TA一起成為電解電容使用壽命的關(guān)鍵影響因子。內(nèi)部溫升Tr可以通過測量得到，也可以通過紋波電流歸一化算法得到，Rubycon公司提供了內(nèi)部溫升推算公式如下：

式中，Tr0為與電容類型相關(guān)的常數(shù)，kf是考慮到電解電容不同頻率ESR不同，進(jìn)而歸一化到標(biāo)準(zhǔn)頻率（如120Hz）的頻率系數(shù)，這兩個參數(shù)均可通過查詢產(chǎn)品手冊得到，Irms和Irms0分別為當(dāng)前和額定的紋波電流有效值。溫升導(dǎo)致的熱應(yīng)力對電容的使用壽命有重大影響，因此，由紋波電流引起的損耗是影響電解電容使用壽命的重要因子，現(xiàn)場使用時應(yīng)盡可能減小電解電容的紋波電流。

3.3 外形尺寸及安裝方式

工作條件下的電解電容中心核溫TJ是內(nèi)部溫升Tr與環(huán)境溫度TA共同影響的結(jié)果。熱應(yīng)力是影響電解電容使用壽命的決定性因素。如果電源內(nèi)部空間允許，應(yīng)盡量選取外形尺寸較大的電容，增大散熱面積，且電容間保持必要的間隔，將有利于電容本體損耗熱量的輻射與對流，有效降低電容的內(nèi)部溫升Tr，同時注意電解電容的安裝位置，遠(yuǎn)離發(fā)熱源，靠近通風(fēng)口，降低環(huán)境溫度TA，進(jìn)而降低電解電容中心核溫TJ。

4 電容壽命預(yù)測

隨著技術(shù)設(shè)計、制造工藝等各方面日益成熟，各廠商推出了許多高紋波、長壽命的電解電容產(chǎn)品，同時國內(nèi)外專家學(xué)者對其失效機(jī)理與壽命預(yù)測模型的研究也逐步深入，形成了大量的研究成果。基于對關(guān)鍵元器件的壽命預(yù)測模型，無需對產(chǎn)品整機(jī)進(jìn)行老化試驗，只需對部分關(guān)鍵元器件建模進(jìn)行針對性的老化試驗研究，即可全面有效地分析、評價產(chǎn)品的可靠性。

4.1 威布爾（We ibull）分布壽命預(yù)測模型

電容的可靠性一般可用威布爾分布表示：

式中，R（t）為電容經(jīng)過時間t可以正常運行的概率；tld為特征壽命；β為形態(tài)參數(shù)常量，與電壓，溫度無關(guān)，β可以通過加速老化試驗和現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)確定，tld為穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的特征壽命，與溫度、電壓應(yīng)力有關(guān)：

式中，tldco為電解電容在溫度TR下使用壽命，Un和TR為額定電壓和額定溫度，U和TA為實際工作電壓和工作溫度，Vscale為比例因子。由公式（4）可知除了降低電容的工作環(huán)境溫度，還可將額定電壓高的電容應(yīng)用于實際運行電壓較低的工況（降額應(yīng)用，降低電壓應(yīng)力），可以增加電容的安全邊際，延長電容的使用壽命。

4.2 Rubycon公司壽命預(yù)測模型

基于阿氏模型并根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)測算，Rubycon公司提供了鋁電解電容的預(yù)測壽命LN測算公式（1）,此外，還提供了基于紋波電流歸一化算法的內(nèi)部溫升Tr測算公式（2）,以某核電站直流電源系統(tǒng)使用鋁電解電容CO39 6800uF/160V/85℃，額定壽命LR=10000H，允許紋波電流Irms0=13.7A/100HZ，在環(huán)境為TA=50℃的130V/50HZ、Urms=99.09mV的電路中使用，通過查詢產(chǎn)品手冊可知，Tr0=5℃，C=0.571，Rs（ESR）=16mΩ，kf=0.8則可知Irms=Urms/Rs（ESR）=99.09mV/16mΩ=6.19A，則通過公式(2)可得Tr=1.59℃，將LR、TR、TA、C、Tr帶入公式(1)可得預(yù)期壽命LN≈17.1年。

由公式(1)(2)可知，具體分析電解電容的使用壽命時，環(huán)境溫度和紋波電流是兩個必須同時考慮的重要因素。紋波電流和環(huán)境溫度共同確定了電解電容的安全使用范圍及使用壽命。在圖1所示的安全工作區(qū)域內(nèi)，環(huán)境溫度越高，紋波電流越大，電解電容的使用壽命就越短。

5 結(jié)語

鋁電解電容作為短板元器件制約了電源產(chǎn)品的使用壽命，溫度引起的熱應(yīng)力是決定電解電容使用壽命的重要因素。本文基于電解電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與老化失效機(jī)理，分析研究環(huán)境溫度與紋波電流、外形尺寸及安裝方式等因子對鋁電解電容使用壽命的影響。研究了以電壓應(yīng)力、環(huán)境溫度為變量的威布爾（Weibull）分布壽命預(yù)測模型、基于阿氏模型以環(huán)境溫度、紋波電流溫升為變量的Rubycon公司壽命預(yù)測模型，并測算了某核電站使用的鋁電解電容的預(yù)期壽命，結(jié)果與現(xiàn)場實際情況基本相符。