鋁電解電容器退化分析與故障預(yù)診斷

范慶慶

珠海格力新元電子有限公司 廣東珠海 519000

鋁電解電容器有著高耐壓和大容量特點(diǎn)，憑借其大功率優(yōu)勢(shì)，在諸多場(chǎng)合廣泛應(yīng)用，在電力系統(tǒng)中鋁電解電容器占據(jù)重要地位，其性能高低，很大程度上影響到電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。但是，電力系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行中，鋁電解電容器故障幾率最高，基于現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)鋁電解電容器預(yù)診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決鋁電解電容器故障，及時(shí)改進(jìn)裝置故障，確保鋁電解電容器安全穩(wěn)定運(yùn)行。文章主要從鋁電解電容器的組成和結(jié)構(gòu)角度著手分析，結(jié)合鋁電解電容器工作原理來(lái)退化分析，并建模分析，探究故障預(yù)診斷在電力系統(tǒng)鋁電解電容器故障診斷中應(yīng)用效果，以期為后續(xù)相關(guān)研究提供支持和參考。

1 鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)和模型

鋁電解電容器內(nèi)部構(gòu)成復(fù)雜，包括保護(hù)結(jié)構(gòu)、電容器芯子、引出線多個(gè)部分構(gòu)成。電容器芯子屬于功能部分，進(jìn)一步細(xì)化包含電解液、陽(yáng)極金屬箔和陰極金屬箔。陽(yáng)極箔上化成反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生金屬氧化膜，耐壓能力較強(qiáng)。故此，鋁電解電容器的耐壓等級(jí)較高。而一般鋁電解電容器，很少會(huì)對(duì)陰極箔化成處理，所以陽(yáng)極金屬氧化膜為介質(zhì)構(gòu)成電容量。金屬的氧化膜有著單向?qū)Я骱蜆O性特點(diǎn)，如果選擇反接方式，大電流通過(guò)金屬氧化膜致使內(nèi)部發(fā)熱，電容器無(wú)法正常運(yùn)行使用。

一般情況下，由丙三醇、乙二醇和氨水等物質(zhì)構(gòu)成的電解液，可以起到陰極的功能，化學(xué)反應(yīng)來(lái)修補(bǔ)陽(yáng)極氧化膜，并且由于電解液中有襯墊紙吸附電解液，用于規(guī)避短路情況出現(xiàn)[1]。另外，電容器陰極箔并未配備介質(zhì)氧化膜，所以其功能主要是用于電解液和外部引出線連接的功能。通過(guò)金屬箔留出諸多小孔，有助于進(jìn)一步擴(kuò)大鋁電解電容器容量，滿足鋁電解電容器穩(wěn)定運(yùn)行要求[2]。

2 鋁電解電容器退化分析和預(yù)測(cè)壽命

2.1 鋁電解電容器退化分析

對(duì)于鋁電解電容器的退化分析，可以從結(jié)構(gòu)角度來(lái)分析探討，鋁電解電容器運(yùn)行性能高低很大程度上受到金屬氧化膜質(zhì)量所影響，其影響因素有廠商工藝水平，以及電解液對(duì)氧化膜質(zhì)量的不良影響，是因?yàn)殡娊庖簳?huì)促進(jìn)介質(zhì)的性質(zhì)變化，化學(xué)反應(yīng)可以修復(fù)介質(zhì)氧化膜，但也會(huì)導(dǎo)致電容器性能退化。

如，水合反應(yīng)會(huì)加劇介質(zhì)劣化。

鋁電解電容器運(yùn)行期間會(huì)出現(xiàn)電化反應(yīng)，可以修補(bǔ)氧化膜，無(wú)法為反應(yīng)形成合適的工藝條件，可能導(dǎo)致形成的氧化膜質(zhì)量不符合要求，降低電容器耐壓性能[3]。

2.2 壽命預(yù)測(cè)

鋁電解電容器性能高低，很大程度上取決于內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，溫度則是影響化學(xué)反應(yīng)速度的一個(gè)主要條件，公式如下：

R 是反應(yīng)速度，aE 是反應(yīng)活化能，A 是非溫度相關(guān)常數(shù)，k 是波爾茲曼。

如果是不同的溫度條件，計(jì)算得到相應(yīng)的反應(yīng)速度之比，可以確定溫度工作壽命模型：

公式中，Lr是指額定工作標(biāo)準(zhǔn)下的標(biāo)稱壽命；La是實(shí)測(cè)工作壽命；Ta是裝置實(shí)際運(yùn)行溫度；Tr則是額定工作溫度的最大值[4]。

從實(shí)際情況來(lái)看，導(dǎo)致鋁電解電容器退化的并非僅僅是溫度因素，還有濕度和電壓等因素，同樣會(huì)導(dǎo)致鋁電解電容器退化。此種情況的出現(xiàn)，可以設(shè)置實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，在高壓環(huán)境下，陽(yáng)極電化反應(yīng)會(huì)直接弱化電容器的各項(xiàng)性能，最為典型的當(dāng)屬電解液析出氫氣，一定程度上會(huì)升高核溫。核溫是影響鋁電解電容器性能的主要因素之一，如果是在直流電壓環(huán)境下，可以將殼溫、環(huán)境溫度與核溫看作是一致的數(shù)值，但是受到紋波電流影響，ESR 存在可能導(dǎo)致電容芯子溫度逐步升高。

3 ESR 模型和參數(shù)選擇

基于鋁電解電容器退化機(jī)制了解到，裝置內(nèi)部所產(chǎn)生的物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)，是導(dǎo)致鋁電解電容器退化的主要因素，會(huì)導(dǎo)致電解液大量損失，同時(shí)增加ESR。ESR 是鋁電解電容器功率損耗的主要因素，加快器件裝置退化，升高電容器的核溫。很多情況下難以直接測(cè)量得到電解液容量，尤其是在線診斷無(wú)法直接接觸，所以可以選擇ESR 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體方法有以下幾種。

3.1 時(shí)間積分法

此種方法的應(yīng)用原理是根據(jù)電解液容量變化隨時(shí)間積分來(lái)獲取ESR，此種方法獨(dú)立性、通用性優(yōu)勢(shì)鮮明，在獲取電容器紋波電流參數(shù)基礎(chǔ)上即可計(jì)算，不需要考慮電路其他部分。但是，計(jì)算中經(jīng)驗(yàn)公式較多，所以多是依托器件初始工作疊加計(jì)算，一定程度上可能損害到此種方法的精度[5]。此外，時(shí)間間隔參數(shù)疊加，在滿足測(cè)量實(shí)用性前提下，難以滿足在線故障診斷需要。

3.2 參數(shù)推導(dǎo)法

ESR 的獲取，基于推導(dǎo)計(jì)算電路工作參數(shù)實(shí)現(xiàn)，此種方法操作簡(jiǎn)單，但是由于各項(xiàng)條件過(guò)于理想化，需要設(shè)定ESR 小于負(fù)載電阻，積分過(guò)程簡(jiǎn)化，而在實(shí)際電路中卻難以滿足，實(shí)用性較差，所以實(shí)際應(yīng)用范圍狹窄，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋁電解電容器長(zhǎng)時(shí)間使用不可避免的會(huì)出現(xiàn)退化問(wèn)題，影響到裝置的使用壽命，進(jìn)而在電力系統(tǒng)中應(yīng)用起到應(yīng)有的效應(yīng)。所以，應(yīng)在把握鋁電解電容器工作原理、結(jié)構(gòu)和構(gòu)成等內(nèi)容基礎(chǔ)上，通過(guò)建立模型來(lái)退化發(fā)內(nèi)心和故障預(yù)診斷，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決鋁電解電容器故障。