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）

電容在電力設備中應用極其廣泛，本文討論了UPS系統中大容量直流電解電容和交流薄膜電容，因為電廠UPS系統眾多，因此型號也不盡相同，因此所采用的電容也有所區別，但其特定工況老化、失效模式、期望使用壽命及預防維護等方面都是有一定規律的，本文分析了電容老化的一些主要原因，并在電廠預防性維護中，強化安全意識，科學考慮各類電容的老化及壽命，及時更換，避免因電容故障導致供電喪失。

直流電解電容；交流薄膜電容；老化

0 前言

電容在UPS系統中的應用廣泛，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系統中，電容的功能相同的，主要用于整流濾波、穩壓等。

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系統輸出的電能質量會很差，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，當電容老化擊穿，則直接導致直流正負極短接，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和蓄電池進線開關。但此時仍可由靜態開關切至旁路運行。

但一些老式的UPS，電容設置在主回路和旁路的總輸出回路上，在負載之前，這種設計下，電容短路會導致負載直接失電，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致隔直失效，造成正負極極間短路。在UPS歷史中，電容擊穿導致設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致擊穿。對電容器這一元件的特性認識不足，導致在預防性維修工作中，沒有考慮電容壽期，最終導致巨大損失。

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：第一是化學反應，熱量和元件內部化學雜質，會導致介質材料的絕緣惡化，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，但仍會導致局部熱量升高或導致材料電子活躍度增加。漏電流和化學反應都會導致電容容值下降和等效電阻增加。

對于電解電容來說，老化主要源于內部電解質散失，隨著電解質減少，電容值減少。工作時內部溫度越高，老化過程進行越快，因此，電解電容的老化過程與其內部溫度密切相關。除此之外，電容在制造過程中，難免會在內部留存化學雜質。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生擊穿，就能導致事故發生。

另外，紋波電流的大小也是造成電容壽命降低的原因之一，由紋波電流產生的熱損耗，是影響電解電容器使用壽命的重要因素，當環境溫度一定時，在允許的范圍內，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，當紋波電流流過電容器時，在等效串聯電阻上將電能轉化成熱能，因此溫度上升，導致壽命降低。

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點，因此在實際應用中，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剩余提交來估算剩余壽命；通過計算電容的等效串聯電阻來實現損傷評估；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，并采用參數辨識的方法對電解電容的等效串聯電阻進行提取，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原則，且理論計算只是考慮理想運行環境及固有特性前提，因此數據缺乏準確度，在使用量龐大的電容中，無法預知第一個電容會在什么時候出現故障失效，因此需要根據電容壽命的評估，在壽期末定期進行更換，才能確保供電系統安全穩定運行。

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，還要測量等效串聯電阻的值，如果該值增加較大，鋁電解質電容超過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

影響電容壽命最主要的幾個方面，需要在電力設備維護中重點考慮，定期測量電容容值、記錄年檢數據，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準，并及時更換，確保UPS系統能夠拿更長的安全供電壽命。避免因為電容器的損壞，導致更嚴重的電氣事故發生。

［責任編輯：李書培］