數(shù)據(jù)中心UPS 大功率電容的壽命分析

摘要：隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展和數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備需求的不斷增加，對UPS容量的要求日益提高。其中，數(shù)據(jù)中心的UPS尤為重要，它保障著數(shù)據(jù)中心的不間斷供電，一旦出現(xiàn)故障將會導(dǎo)致供電癱瘓及數(shù)據(jù)丟失。因此，UPS需要具備極高的可靠性以保障后端負載的不間斷供電。而隨著設(shè)備使用周期的延長，可能存在諸多因素會影響設(shè)備的正常運行，其中交直流電容是需要格外重視的部件。UPS交直流電容具有使用壽命預(yù)期，且低于UPS整機的使用壽命周期。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，UPS的電容檢測是UPS維護中的重要項目。

關(guān)鍵詞：大功率電容；電容預(yù)期壽命；預(yù)防性整體更換；更換周期

中圖分類號：TP301文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）35-0104-03開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1UPS使用的大功率電容

1.1UPS大功率電容器

在UPS內(nèi)部使用有兩種電容器，直流電容組和交流電容組，如圖1所示。

1.2UPS中大功率電容器的作用

UPS中的交直流大功率電容器分別安裝在整流和逆變電路的輸出端。直流電容主要用于保證直流母線電壓的穩(wěn)定、直流輸入端的濾波和瞬態(tài)電壓抑制；交流電容則用于抑制逆變輸出端的電壓和電流諧波，從而保證UPS穩(wěn)定輸出電壓[1]。

UPS的直流電容采用鋁電解電容，交流電容組采用金屬化薄膜電容用于交流濾波。直流鋁電解電容的能量密度比交流金屬化薄膜電容要大，但鋁電解電容僅能用于直流電路。金屬化薄膜電容既可用于交流電路，也可用于直流電路，若采用直流金屬化薄膜電容，將極大增加UPS系統(tǒng)的尺寸和經(jīng)濟成本。

因此，目前市場上主流方案是鋁電解電容用于直流電路，金屬化薄膜電容用于交流電路。

UPS內(nèi)部所使用的大功率電容，主要特點是電容容量要求較大、使用數(shù)量較多、使用電壓等級較高、存在一定的紋波電流，且電容所處環(huán)境溫度比機柜外高。

2UPS電容類型及特性分析

鋁電解電容器和金屬化薄膜電容器的基本原理相同，但在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、使用材料和工藝、應(yīng)用場景等方面具有不同的特點和要求。下面對UPS內(nèi)使用的兩種大功率電容器進行介紹。

2.1鋁電解電容

鋁電解電容器是一種電子元件，通常由兩個鋁箔作為極板，通過電解液和電介質(zhì)隔離而成。其結(jié)構(gòu)包括一個負極（通常是鋁圓筒）和一個正極（一片彎曲的鋁帶），正極片上通過陽極氧化處理形成一層氧化膜（通常是三氧化二鋁），作為電介質(zhì)層。正極和負極之間浸漬有電解液，以提供電化學(xué)特性。鋁電解電容器具有高電容量、低內(nèi)阻和穩(wěn)定可靠的特點，適用于電源濾波或低頻電路中。它們具有極性，使用時須注意正負極的正確連接[2]。

鋁電解電容器的主要特點：

1）鋁電解電容器可實現(xiàn)較大容量，但漏電流相對較大。使用時具有極性，不能承受反向耐壓。

2）鋁電解電容器易受雜質(zhì)污染，特別是Cl-、SO4-、Fe3+、Cu2+離子，加工及應(yīng)用環(huán)境中不能含有這些離子的液體或氣體。

3）鋁電解電容器具有自愈特性，工作時電解液會修補絕緣介質(zhì)的缺陷，同時產(chǎn)生氣體。工作過程中，如內(nèi)部氣壓過高，防爆閥會動作，釋放氣體。

2.2金屬化薄膜電容

金屬化薄膜電容是以有機塑料薄膜作為介質(zhì)，以金屬化薄膜作為電極，通過卷繞方式（疊片結(jié)構(gòu)除外）制成的電容器。

金屬膜電容的關(guān)鍵材料是經(jīng)過蒸鍍后的薄膜，選用不同的薄膜決定了電容器的主要性能，主要參數(shù)包括蒸鍍層金屬及形狀、基膜材質(zhì)及表面處理、厚度、邊緣處理、是否為安全膜等。噴涂金屬直接影響電容器的ESR及耐電流沖擊能力。灌封料也是金屬膜電容重要的材料，優(yōu)質(zhì)的灌封料應(yīng)同時具備絕緣、耐高溫、導(dǎo)熱、密封防潮等特性，尤其是防潮性能對保證電容器長期使用非常重要。

金屬膜電容器的主要特點：

1）金屬化膜層的厚度遠小于金屬箔的厚度，因此卷繞后體積也比金屬箔式電容體積小很多，相對可以實現(xiàn)較大的容量。

2）金屬化薄膜電容具有“自愈”特性這一優(yōu)點，但同時會影響電容的容量。

3）環(huán)境中的濕氣會導(dǎo)致電容漏電流增加，縮短電容使用壽命。

3UPS電容壽命分析及預(yù)測

3.1影響大功率電容壽命的因素

電解電容器的使用壽命與環(huán)境溫度和紋波電流有密切關(guān)系[3]，環(huán)境溫度越高，電解電容器的使用壽命越短。如果環(huán)境溫度過高，超過了電解電容器的最高額定溫度，就會導(dǎo)致電解電容器中電解液沸騰產(chǎn)生過壓，使泄壓部件發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的泄壓動作，造成電解液泄漏，致使電解電容器永久性損壞。因此，電解電容器的存儲和使用溫度絕不可超過額定溫度。相反，若降低工作溫度則可以顯著延長電解電容器壽命。

紋波電流的影響：紋波電流產(chǎn)生的熱量引起電容的內(nèi)部溫升，加速電解液的蒸發(fā)。當(dāng)容值下降20%或損耗角增大為初始值的2～3倍時，預(yù)示著電解電容壽命的終結(jié)。紋波電流的大小引起的電容器熱應(yīng)力增加對電解電容器的使用壽命有決定性影響，因此，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。

在實際使用中常?？梢杂^察到電解電容器的實際壽命遠高于標(biāo)稱值，這是因為使用溫度低于最高額定溫度。因此，若條件允許，盡可能降低環(huán)境溫度來延長電解電容器的使用壽命是一種行之有效的方法，故通常設(shè)計中要求電解電容器應(yīng)遠離發(fā)熱源。

3.2電容預(yù)期壽命的推算

1）金屬膜電容器的壽命預(yù)算公式：

L=L0×（Vn/V）8×2T0+T/10

L：電容器在實際溫度和工作電壓下的預(yù)期壽命；

L0：電容器在額定溫度和電壓下的預(yù)期壽命；

Vn：電容器的額定電壓；

V：電容器的實際工作電壓；

T0：電容器的額定溫度；

T：電容器的實際工作溫度。

此項預(yù)算公式往往計算結(jié)果大于廠家給出的設(shè)計壽命，故此公式為理想狀態(tài)下的預(yù)算公式。

2）鋁電解電容器的壽命預(yù)算公式：

LX=LO×KTEMP×KRIPPLE×KVOLTAGE

式中：LX=估算壽命；

LO=額定壽命，廠家手冊中給出；

KTEMP=環(huán)境溫度加速項；

KRIPPLE=紋波電流加速項；

KVOLTAGE=電壓加速項。

①環(huán)境溫度加速項：

KTEMP=2（Tmax-Ta）/10

Tmax：最高工作溫度；

Ta：工作環(huán)境溫度。

采用熱效力法則評估：電容器的工作環(huán)境溫度每下降（上升）10℃，壽命就上升（下降）1倍。

②紋波電流加速項：

KRIPPLE=23-（Tc-Ta）/5

Tc：電容器芯子溫度；

Ta：電容器工作環(huán)境溫度。

根據(jù)熱效應(yīng)定律評估，當(dāng)電容器流過紋波電流時，芯子溫度每升高5℃，壽命將下降一半。如果電容器的紋波電流很小且溫升較低，當(dāng)Kripple計算結(jié)果大于1時，此時Kripple應(yīng)取值為1。

③電壓加速項：各電容器廠家給出的電壓加速項計算方法差異較大，其中部分廠家采用以下公式：

KVOLTAGE=（VO/VW）2.5

VO：額定電壓；

VW：實際工作電壓。

部分廠家提供計算列表，此類計算結(jié)果較為保守，業(yè)界普遍采用：

電壓降額＞90%，K取值0.8

90%＞電壓降額＞80%，K取值0.9

80%＞電壓降額，K取值1.0

注意事項：

推算結(jié)果并非保證值。

低溫段壽命推算時，應(yīng)以40℃作為下限。

推定壽命計算結(jié)果超過15年時，通常以15年為上限。

公式預(yù)估結(jié)果與實際使用時間常存在較大差異。實際應(yīng)用中，電容器工作環(huán)境溫度在50～80℃之間，部分設(shè)備因風(fēng)扇磨損導(dǎo)致散熱效果不佳，致使壽命更短。因此，各廠家除提供預(yù)估公式計算預(yù)期使用壽命外，還根據(jù)具體使用情況提供了電容器設(shè)計壽命及不同條件下的電容器更換時間對照表。

3.3大功率UPS電容器的預(yù)期壽命與更換周期建議

大功率UPS內(nèi)常用大功率電容器的期望壽命和推薦更換時間，如圖2所示。

根據(jù)上述典型壽命測試時間和工作條件下的預(yù)期使用壽命考慮，提出了直流和交流電容更換的建議方案。直流電容在最大額定條件下測試時間為2000至5000小時，據(jù)此計算出可靠運行時間為150000小時。交流電容在加速條件下測試時間為2000至3000小時左右，相應(yīng)計算出在作業(yè)條件下可靠時間為100000小時。這兩組數(shù)據(jù)前后比例約為50%，由于比例差異較大，根據(jù)短時間壽命測試推算長期預(yù)期使用壽命會產(chǎn)生較大誤差，因此最終結(jié)果精確度不高。目前，電容器的可靠壽命主要依據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)作為實時參考，且定期更換電容組是確保高可靠性的最佳方法[4]。

目前越來越多的客戶已經(jīng)認識到這一問題，認可UPS大功率電容器的可靠壽命，并在器件預(yù)期壽命周期內(nèi)對電容組進行預(yù)防性的整體更換。

3.4實際應(yīng)用中更換電容的分析參考數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)中心對使用超過5年的電容進行了大量分析，現(xiàn)就UPS大功率電容器使用5年的具體情況介紹如下：

大部分電容在使用5年左右容量衰減不明顯，但損耗均有不同程度的增加：

1）交流金屬膜電容內(nèi)芯基本完好，鍍層基本完整，自愈點數(shù)量較少；

2）交流金屬膜電容內(nèi)芯基本完好，但芯包存在發(fā)熱跡象，鍍層部分區(qū)域自愈點較多；

3）交流金屬膜電容內(nèi)芯基本完好，容量在正常范圍內(nèi)，但鍍層出現(xiàn)大片密集或整片缺失情況，存在嚴(yán)重失效可能；

4）直流電解電容內(nèi)芯基本完好，鍍層基本完整，電解液呈現(xiàn)少量干涸跡象；

5）直流電解電容內(nèi)芯基本完好，電解液溶質(zhì)出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，這種狀態(tài)不穩(wěn)定，在高壓高溫條件下其修補氧化膜的效率將逐漸降低，常溫下電參數(shù)未顯示異常；

6）直流電解電容常溫電參數(shù)仍在正常范圍內(nèi)，但內(nèi)部干涸結(jié)晶嚴(yán)重，可能隨時發(fā)生嚴(yán)重失效。

由此可見，電容的衰減與使用環(huán)境具有較強相關(guān)性。

4UPS電容預(yù)防性更換策略

電容器應(yīng)在預(yù)期壽命周期內(nèi)及時更換。

根據(jù)相關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC60831等）或廠家規(guī)格書規(guī)定，電容器壽命結(jié)束期的判斷標(biāo)準(zhǔn)明確，以下4項中若有1項滿足，即可判定電容器工作壽命已結(jié)束，電容器已失效：

1）容量相對初始值變化超過20％；

2）漏電流超過手冊規(guī)定的初始值；

3）損耗超過手冊規(guī)定初始值的200％；

4）出現(xiàn)明顯異常，如鼓起、漏液、炸裂等。

UPS系統(tǒng)需要高可靠性，不能等到電容器工作壽命結(jié)束后才進行維修或更換，否則會極大增加維修成本，降低系統(tǒng)可靠性，并帶來安全隱患。電容一旦發(fā)生故障或失效，其最可能的故障或失效模式為爆裂，這將擴大設(shè)備內(nèi)部的故障范圍，引發(fā)更為嚴(yán)重的故障。為保證設(shè)備的持續(xù)正常運行和業(yè)務(wù)的持續(xù)在線，應(yīng)在電容的預(yù)期壽命周期內(nèi)，在電容尚未失效時就考慮更換。

預(yù)期使用壽命和可靠壽命雖然很相似，但它們并不相同。預(yù)期使用壽命是使用壽命的大致估計，是一個估值，例如1年、5年或10年等，這并不意味著設(shè)計壽命為5年的電容一定會在5年后失效，電容在預(yù)期使用壽命內(nèi)也有可能損壞。可靠壽命是根據(jù)特定運行時間和工作條件下累計故障概率統(tǒng)計得出的數(shù)據(jù)。即使是最精確的統(tǒng)計學(xué)模型，由于測試數(shù)據(jù)的局限性，計算結(jié)果也存在很大的不確定性。盡管電容的可靠性數(shù)據(jù)可以從廠家獲取，但要實現(xiàn)高精度預(yù)測的可能性很小。因此，業(yè)界需要對電容進行定期預(yù)防性維護，包括基于使用年限和經(jīng)驗進行電容更換，總之，通過最可靠的方式確保電容在UPS中正常運行。

5結(jié)論

經(jīng)過以上對UPS電容壽命的分析，得出如下結(jié)論。

5.1建議整體更換

同一臺UPS系統(tǒng)中的電容，一旦出現(xiàn)第一個電容故障或失效，其他電容發(fā)生故障的概率將顯著提高。此外，電容失效容易擴大故障范圍。為最大程度保證系統(tǒng)可靠性，建議在電容的預(yù)期壽命周期內(nèi)，按照推薦的更換時間進行預(yù)防性的整組更換。

5.25～6年左右是一個較好的經(jīng)濟更換周期

YD/T1790.4-2009《通信局（站）電源系統(tǒng)維護技術(shù)要求第4部分：不間斷電源（UPS）系統(tǒng)》的附錄A中，已對電容的更換給出建議：濾波電解電容的建議工作年限為（6～7）年，5年后或根據(jù)設(shè)備的要求進行更換[5]。如前所述，精確預(yù)測電容的長期可靠運行時間非常困難。然而，從系統(tǒng)壽命的角度考慮，很多行業(yè)內(nèi)UPS整機的建議壽命為10～12年左右，因此在5～6年周期內(nèi)考慮電容的更換，可以在風(fēng)險可控和整體壽命周期的投入上取得較好的平衡。

6大功率電容器未來研究方向的展望

隨著技術(shù)的進步和大功率電容器市場需求的增長，電容器在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用將進一步發(fā)展。目前，大功率電容器的發(fā)展主要由超級電容器相關(guān)技術(shù)革新推動。采用新材料、雙電層、固態(tài)介質(zhì)的超級電容器具有充放電時間短、使用壽命長、溫度特性優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保等特點。作為一種結(jié)合了傳統(tǒng)蓄電池和介電電容器的新型綠色儲能器件，超級電容器已在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了一席之地。隨著新能源汽車、智能穿戴設(shè)備等的普及，超級電容器若要進一步擴展其應(yīng)用領(lǐng)域，降低成本、提高能量密度將成為下一步發(fā)展的重要目標(biāo)。同時，制約超級電容器性能和成本的電極材料仍將是未來研究的重點[6]。

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】