DX600發(fā)射機(jī)大型電容器壽命影響因素分析及維護(hù)思路

趙勇

【摘要】 本文分析了影響電源濾波電容使用壽命的諸多因素，結(jié)合我臺(tái)兩部DX600發(fā)射機(jī)實(shí)際維護(hù)中出現(xiàn)的情況，給出了有效改善諸多不利因素的維護(hù)思路。

【關(guān)鍵詞】 DX600 發(fā)射機(jī) 電容 壽命

HARRIS公司生產(chǎn)的DX系列發(fā)射機(jī)末級(jí)采用MOSFET射頻放大單元，采用低電壓、大電流的主電源。以DX600的單個(gè)PB為例，其主電源輸出250VDC、900A（載波狀態(tài)），這樣的電源輸出電流大必然要求等效內(nèi)阻很小，為得到良好的濾波效果，必須使用很多濾波電容，該電源的濾波電路共采用了55支5100μF/350V電解電容，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)部分和二進(jìn)制模塊125VDC電源濾波分別采用 2支5500μF/200V電容并聯(lián)和1支18000μF/200V，以上電容均為鋁質(zhì)大型電解電容。

我臺(tái)兩部DX600發(fā)射機(jī)，隨著使用年限的加長(zhǎng)，發(fā)射機(jī)內(nèi)電解電容陸續(xù)出現(xiàn)低效或失效現(xiàn)象，那么，這些電解電容出現(xiàn)低效和失效是正常壽命終了還是另有原因呢？

一方面電解電容本身的設(shè)計(jì)制造、選用材料和制造工藝決定了其使用壽命。另一方面電容器的使用環(huán)境也影響電解電容的使用壽命。由于發(fā)射機(jī)所用電容器均為原廠正品，故設(shè)計(jì)因素，這里不作探究，主要針對(duì)使用環(huán)境和狀態(tài)進(jìn)行分析。

一.電解電容正常使用壽命

電解電容使用非固態(tài)電解液，其壽命取決于電解液的蒸發(fā)速度，電解液缺失到一定程度致使電容器電氣性能降低，導(dǎo)致電容器低效直至失效，關(guān)于電解電容的壽命計(jì)算有專題研究得出的公式，

L：實(shí)際使用平均壽命；

Lb：最大溫度下的基本壽命；

Tmax：最大工作溫度；

Ta：實(shí)際環(huán)境溫度：

△Tjo：加上最大額定紋波電流后，電容器的內(nèi)部溫升；

△Tj：加上實(shí)際紋波電流后，電容內(nèi)部溫升；

其中電容器內(nèi)部溫升△Tj跟紋波電流（IRMS）和電容器的等效串聯(lián)電阻值（ESR）有關(guān)。

由公式，影響電解電容壽命的幾個(gè)直接因素是：環(huán)境溫度（Ta）、紋波電流（IRMS）、等效串聯(lián)電阻值（ESR）。對(duì)于給定成品電容器等效串聯(lián)電阻值（ESR）是恒定的，實(shí)際使用中，影響因素就是環(huán)境溫度（Ta）和紋波電流（IRMS），在維護(hù)過程中，可以從這兩個(gè)因素著手。

把以上兩個(gè)因素分割來(lái)分析，存在一種有意義的假設(shè)：如果電容器工作電源紋波電流近似于額定紋波電流，紋波電流的影響部分為1，那么電容器工作溫度每升高10度，使用壽命將下降一倍，反過來(lái)，電容器工作溫度每下降10度，使用壽命將提高一倍。在實(shí)際使用中常可以看到電解電容器的實(shí)際壽命遠(yuǎn)比標(biāo)稱值高，這就是使用溫度低于最高額定溫度的原因。我臺(tái)一部DX600已使用12年多，電容出現(xiàn)低效和失效現(xiàn)象，從整體上是正常的，只是在維護(hù)工作中，盡可能降低環(huán)境溫度和保持良好的電源紋波系數(shù)，以最大可能延長(zhǎng)電解電容器的使用壽命。

二.電解電容非正常失效的可能原因

1.環(huán)境、焊接以及電路中紋波電流異常而造成電容工作溫度異常升高

環(huán)境溫度以及焊接過程的高溫，可導(dǎo)致電容器失效不難理解。電路中紋波電流的存在也同樣導(dǎo)致電容器內(nèi)部升溫而最終使電容器失效，當(dāng)紋波電流流過電解電容器時(shí)，由于電容器存在一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR），會(huì)導(dǎo)致電容內(nèi)部溫度上升，從而導(dǎo)致使用壽命降低。對(duì)于普通電解電容器而言，高頻紋波電流將比工頻紋波電流的熱效應(yīng)大，因此，在開關(guān)電源的輸出濾波或負(fù)載具有很高的高頻紋波電流時(shí)，應(yīng)用普通電解電容器會(huì)感到明顯發(fā)熱，電容器的壽命明顯下降。

2.工作電壓超過電容器設(shè)計(jì)最高電壓

電容器在過壓狀態(tài)下容易被擊穿，而實(shí)際應(yīng)用中的浪涌電壓和瞬時(shí)高電壓是經(jīng)常出現(xiàn)的。尤其我國(guó)幅員遼闊，各地電網(wǎng)復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)超出正常電壓的30%。經(jīng)測(cè)試表明，常用的450V/470uF 105℃的進(jìn)口普通2000小時(shí)電解電容，在額定電壓的1.34倍電壓下，2小時(shí)后電容會(huì)出現(xiàn)漏液冒氣，頂部沖開。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，與電網(wǎng)接近的開關(guān)電源PFC輸出電解電容的失效，主要是由于電網(wǎng)浪涌和高壓損壞。電解電容的電壓選擇一般進(jìn)行二級(jí)降額，降到額定值的80%使用較為合理。

3.反極性電壓造成電容器異常失效

鋁電解電容器由如下幾部分組成：陰極鋁箔、電解紙、電解液，陽(yáng)極鋁箔以及形成于陽(yáng)極鋁箔表面作為電介質(zhì)的氧化鋁層。形成于陽(yáng)極表面極薄的一層氧化鋁在電解電容中扮演電介質(zhì)的角色。它具有優(yōu)越的介電常數(shù)以及單向特性（rectifying properties）。就是這個(gè)單向性使電解電容有極性，可以通過交流是電容的充放電特性形成的，實(shí)際電荷并沒有通過電容器，電解電容反向擊穿電壓很低，所以電解電容器不能用于交流電，只能用于直流電且不允許反極性饋電。如果極性接反了，電容器的漏電流急劇增大，內(nèi)部電極嚴(yán)重發(fā)熱，導(dǎo)致電容器失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燃燒爆炸，損害線路板上的其它器件。

三.DX600發(fā)射機(jī)電容失效故障現(xiàn)象及維護(hù)思路

我臺(tái)兩部DX600發(fā)射機(jī)內(nèi)部電容陸續(xù)出現(xiàn)部分電容低效和失效，其中一部發(fā)射機(jī)一次發(fā)現(xiàn)近二十支低效和失效電容，出現(xiàn)較多電容失效后，發(fā)射機(jī)狀態(tài)異常：一是發(fā)射機(jī)保險(xiǎn)板上的35A大保險(xiǎn)無(wú)規(guī)律熔斷；二是開機(jī)后功率模塊保險(xiǎn)熔斷的概率也變高；三是發(fā)射機(jī)整機(jī)信噪比、失真指標(biāo)均有下降。以上，前兩個(gè)燒保險(xiǎn)異常原因是濾波電容失效后沖擊電流大導(dǎo)致部分保險(xiǎn)燒；而發(fā)射機(jī)信噪比和失真指標(biāo)下降，是由于電源紋波系數(shù)變大引起，更換新電容后狀態(tài)恢復(fù)。

通過以上電解電容使用壽命影響因素的理論分析，結(jié)合我臺(tái)DX600發(fā)射機(jī)出現(xiàn)的故障，對(duì)照出現(xiàn)電容故障發(fā)射機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，發(fā)射機(jī)上電容陸續(xù)低效或失效，其主要原因是發(fā)射機(jī)投入使用年限較長(zhǎng)、南方夏季氣溫高發(fā)射機(jī)房環(huán)境溫度相應(yīng)偏高、加上當(dāng)?shù)赝怆娋€路供電波動(dòng)大、異常干擾脈沖成分高，諸多原因造成。

為使發(fā)射機(jī)保持良好運(yùn)行狀態(tài)，可從以下4個(gè)方面加強(qiáng)檢修維護(hù)：

1.及時(shí)排查并更換失效的電容。從電解電容失效機(jī)理可知，當(dāng)發(fā)射機(jī)電源濾波電容出現(xiàn)部分失效后，使整機(jī)電源紋波系數(shù)變大。所以，無(wú)論是正常壽命已到還是異常失效，均應(yīng)該盡早測(cè)量出低效或失效電容，并更換新品，否則由于存在部分失效電容，使發(fā)射機(jī)電源濾波電容受損失效進(jìn)入惡性循環(huán)。

2.采用原廠優(yōu)質(zhì)或更高參數(shù)的電容器。在實(shí)際維護(hù)中，為了節(jié)省維護(hù)經(jīng)費(fèi)，我臺(tái)采取向國(guó)內(nèi)一級(jí)電容生產(chǎn)廠商定制相同規(guī)格電容，同時(shí)，在最高溫度和額定使用壽命等參數(shù)上要求達(dá)到更高等級(jí)，希望能在同等使用條件下，使用壽命更長(zhǎng)。

3.排查發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)是否符合規(guī)定要求。隨著使用年限的加長(zhǎng)，我臺(tái)一部DX600發(fā)射機(jī)的冷卻水流量慢慢減小，總流量由裝機(jī)時(shí)的46GPM下降到35GPM，三個(gè)PB的冷卻水流量從16GPM分別下降到12.5GPM、12.5GPM和11.5GPM。水流量減少勢(shì)必會(huì)影響發(fā)射機(jī)的散熱效果，造成機(jī)箱內(nèi)溫度上升。經(jīng)仔細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)水路系統(tǒng)連接整流柜管道接頭和可控硅接頭兩端的軟管均有不同程度的堵塞。造成冷卻水流量變小的原因是：整流柜內(nèi)水冷管道與電源距離非常近，長(zhǎng)期受電流和電壓的影響，冷卻系統(tǒng)管道內(nèi)污物雜質(zhì)在電蝕的作用下，聚集在金屬和軟管交接的附近，使管口有效內(nèi)徑變小，從而導(dǎo)致水流量減小。解決的辦法是：拆開PB整流柜可控硅與銅管上下連接部的橡膠軟管，進(jìn)行清除處理后，PB水流量都上升至15GPM，總水流量由35GPM上升至45GPM。

4.改善發(fā)射機(jī)房通風(fēng)制冷條件，降低發(fā)射機(jī)環(huán)境溫度。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的熱量通過輻射、熱交換等方式與外界氣溫達(dá)到一個(gè)熱交換平衡，如果機(jī)房通風(fēng)或制冷條件較好，則這個(gè)平衡溫度就較低，反之，機(jī)房通風(fēng)制冷效果不好，則熱量聚集在機(jī)房中，當(dāng)發(fā)射機(jī)與機(jī)房溫度平衡時(shí)，發(fā)射機(jī)內(nèi)部和機(jī)房?jī)?nèi)溫度均較高。

四.結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合DX600發(fā)射機(jī)的實(shí)際故障和維護(hù)情況進(jìn)行分析歸納總結(jié)而成，但對(duì)于采用其它類型發(fā)射機(jī)的單位，同樣具有參考價(jià)值，對(duì)于類似大型電解電容使用較多的發(fā)射機(jī)，如PSM發(fā)射機(jī)，甚至一些其它設(shè)備，本文分析的原因結(jié)論同樣適用，所不同的是，各種影響因素產(chǎn)生的機(jī)理不一樣，需具體問題具體分析，針對(duì)各個(gè)因素逐個(gè)加以改善解決，一樣可以達(dá)到良好的維護(hù)效果。