預(yù)防性維修電容參數(shù)的選擇方法

1、預(yù)防性維修電容參數(shù)的選擇方法尤志芳中廣核仿真技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518031Selection Method of Capacitor Parameters in Preventive MaintenanceZhifang YouChina Nuclear Power Simulation Technology Corp. Ltd., Shenzhen, Guangdong 518031ABSTRACT：Based on the analysis of the aging mechanism of the Nuclear Power Plant I&C power capacitor.

2、Capacitor parameters affected by aging and the lifetime of capacitors and other components changed by the different capacitor parameters in preventive maintenance are discussed. For prolonging power life time, a selection method of capacitor parameters is presented.KEY WORD: capacitor; aging; preven

3、tive maintenance; circuit摘要：通過對(duì)核電站儀控電源電容的老化機(jī)理分析，討論了老化對(duì)電容參數(shù)的影響及在預(yù)防性維修中電容參數(shù)選擇對(duì)電容和其他電源電子元件壽命影響。從延長(zhǎng)電源壽命出發(fā)，提出預(yù)防性維修電容參數(shù)的選擇方法。關(guān)鍵詞：電容；老化；預(yù)防性維修；電路1 1 引言核電站儀控電源是重要的電子設(shè)備，其失效通常會(huì)引起核電站重大的經(jīng)濟(jì)損失。電容是電源重要電子元件，研究電容老化、失效和預(yù)防性維修對(duì)安全生產(chǎn)有重大意義。電源電容失效可能在電容使用早起，通常由電容制造缺陷、電源安裝維修不當(dāng)或設(shè)計(jì)不當(dāng)引起；大部分電源電容失效是在使用末期，由老化導(dǎo)致電容的參數(shù)變化引起電源性能超出允許范圍而失

4、效，甚至電容失效直接導(dǎo)致電源失效。在電容預(yù)防性維修過程中，對(duì)電容參數(shù)的選擇是對(duì)電源電路參數(shù)再分配過程。合理的選擇電容參數(shù)不僅可以延長(zhǎng)電容老化和失效的時(shí)間，還可優(yōu)化電源其它電子設(shè)備的環(huán)境應(yīng)力，從而提高電源的可靠性。因此，深刻認(rèn)識(shí)電容參數(shù)變化對(duì)整個(gè)電源電路和電源壽命的影響，對(duì)電容預(yù)防性維修有重要指導(dǎo)意義。2 2 環(huán)境應(yīng)力核電站用電容主要環(huán)境應(yīng)力有：（1）氣候環(huán)境應(yīng)力，主要包括溫度、低溫、潮濕、干燥、氣壓等，主要影響電介質(zhì)特性和電容外表面腐蝕；（2）機(jī)械環(huán)境應(yīng)力，主要包括沖擊、振動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力。對(duì)使用機(jī)械應(yīng)力集中易損壞的電容影響比較大，如陶瓷電容；（3）電應(yīng)力主要包括電壓、電流、強(qiáng)磁場(chǎng)等，電壓過大和電

5、流過大都會(huì)引起電容的擊穿燒毀。3 3 電容老化機(jī)理及對(duì)電容參數(shù)影響核電站儀控電源的電容主要陶瓷電容、云母電容、有機(jī)薄膜電容、電解電容。研究表明在核電站壽期內(nèi)陶瓷電容和云母電容及有機(jī)薄膜電容沒有明顯的老化機(jī)理，因此不考慮其老化作用；而電解電容抗老化的能力比較弱。儀控電源的電解電容主要有液態(tài)鋁電解電容、固態(tài)鉭電解電容、固態(tài)鋁電解電容。液態(tài)鋁電解電容的電容量相對(duì)大，主要應(yīng)用在電源、逆變器等功率型器件中作為儲(chǔ)能和濾波元件。液態(tài)鋁電解電容在工作和儲(chǔ)存狀態(tài)下都有老化現(xiàn)象。在工作狀態(tài)下，老化機(jī)理是電解液揮發(fā)，當(dāng)電解液質(zhì)量失去 40時(shí)候，電容可以看作失效。液態(tài)鋁電解電容老化直接影響的參數(shù)是等效串聯(lián)電阻。隨著電

6、解液的揮發(fā)，等效串聯(lián)電阻增加，從而增加焦耳熱，提高溫度加速電容的老化。通過對(duì)鋁電解電容老化機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)其主要老化應(yīng)力是工作環(huán)境溫度 T 和紋波電流 IAC。在儲(chǔ)存狀態(tài)下，電介質(zhì)氧化鋁溶化到電解液中，減小等效并聯(lián)電阻。固態(tài)鉭電解電容的電介質(zhì)氧化鉭在高溫下容易結(jié)晶。在紋波電流和工作電壓比較大的電路中，固態(tài)鉭電解電容比較容易老化。老化導(dǎo)致的結(jié)果是電容等效并聯(lián)電阻減小，漏電流增加，電容發(fā)熱增加，加速老化，最終導(dǎo)致電容短路。固態(tài)鋁電解電容的電介質(zhì)氧化鋁是高溫比較穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象。這類電容能夠承受很高的溫升，正常使用不會(huì)老化。因此，儀控電源預(yù)防性維修主要針對(duì)液態(tài)鋁電解電容和固態(tài)鉭電解電容。4 4 預(yù)

7、防性維修對(duì)電路參數(shù)的影響根據(jù)研究，在電子設(shè)備中，影響元器件的壽命的主要應(yīng)力有溫度和電流。溫度和電流通常是偶合關(guān)聯(lián)關(guān)系。溫度的變化一方面影響電子元器件材料的屬性，影響參數(shù)，從而影響電流；電流的變化影響電子元器件的焦耳熱，從而影響電子元器件的工作溫度。電子設(shè)備的電子元器件隨著使用時(shí)間的增加逐漸老化。電子元器件的性能參數(shù)隨著老化逐漸變化。通常通過預(yù)防性維修來消除老化對(duì)電子設(shè)備的影響。核電站電容的周期性預(yù)防性維修主要是為了消除老化和失效的電容。由于電容的參數(shù)的差異，預(yù)防性維修也直接改變了電路參數(shù)，從而改變了其他電子元器件的電應(yīng)力。從電子設(shè)備的壽命出發(fā)，希望在電容預(yù)防性維修后，不增加其他電子設(shè)備的電應(yīng)力

8、，即不加速其他電子元器件老化。5 5 計(jì)算分析下文主要分析線性電源電路中液態(tài)鋁電解電容參數(shù)變化對(duì)電容自身壽命的影響，以及對(duì)整流二極管 1N4001 的影響。鋁電解電容的主要參數(shù)：等效串聯(lián)電阻、容量、漏電流、紋波電流、額定工作溫度等。下式是電容產(chǎn)家給出的鋁電解電容壽命預(yù)計(jì)擬合公式： 0101050222TTTTTTLL （1）其中：LT為電容在環(huán)境溫度為T、紋波電流為IAC條件下的估算壽命（h） ；L0為額定溫度T0，額定使用VDC條件下的壽命（h） ；為紋波電流)/()2tan(22AIRfCITppACIAC和電容漏電流導(dǎo)致的溫升。是損耗因子，是fCRs2tansR等效串連電阻；C 是電容量

9、；A 為電容散熱面積，為表面散熱系數(shù)，工作頻率，fU 為電容兩端加的直流工作電壓，Rp 是等效并聯(lián)電阻，是電容漏電流。pI從（1）中可以看出環(huán)境應(yīng)力工作溫度每增加 10，鋁電解電容的壽命減半。通過選擇額定工作溫度高和壽命長(zhǎng)的電容，再降級(jí)使用可以有效的延長(zhǎng)電容使用壽命。電應(yīng)力紋波電流IAC通過等效串聯(lián)電阻發(fā)熱影響電容壽命，在紋波電流不變的時(shí)候可以適當(dāng)?shù)慕档碗娙萜鞯牡刃Т?lián)電阻可以改善電容的工作環(huán)境，提高電容壽命；但是減小等效串聯(lián)電阻會(huì)增加紋波電流，即增加電容的充放電電流。鋁電解電容的漏電流由電容的等效并聯(lián)電阻和工作電壓決定。漏電流越大，電容的發(fā)熱越大，降低電容壽命。鋁電解電容的等效并聯(lián)電阻主要電

10、介質(zhì)氧化鋁決定，由于液態(tài)鋁電解電容的電介質(zhì)有自修復(fù)功能，當(dāng)溫度變化不大，等效并聯(lián)電阻變化很小，漏電流變化不大。電容值的增加會(huì)減少充電時(shí)間，增大充電電流。圖（1）是整流二極管 1N4001 的工作電流與正向壓降曲線圖。在圖中可以看出當(dāng)工作電流小于 0.1A 時(shí)整流二極管正向壓降隨著工作電流的變化，當(dāng)工作電1dIU流大于 0.1A 時(shí)；通常整流二級(jí)管1IdU的設(shè)計(jì)電流0.1A。所以電容的等效串聯(lián)電阻減小時(shí)，整流二極管兩端的壓降變化不大，對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定性影響不大。但整流二極管的熱功率會(huì)增加。IUd圖（1）整流二極管 1N4001 工作電流與正向壓降曲線整流二極管的壽命與電流的關(guān)系可由公式（2）表達(dá)

11、。式中t1，t0分別是整流二極管在電流I1和I0條件下的壽命，a是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，為焦耳熱的函數(shù)。根據(jù)公式（2） ，增加充電電流會(huì)縮短整流二極管的壽命。 aIItt)(1001（2）6 6 結(jié)論通過上文分析，在電源電容預(yù)防性維修時(shí)，額定工作溫度高和壽命長(zhǎng)電容均可以在降級(jí)使用時(shí)有效的延長(zhǎng)電容的壽命。增大容值和減小等效串聯(lián)電阻會(huì)影響其它電子元器件的壽命。漏電流小可以延長(zhǎng)電容和其它電子元器件壽命。參 考 文 獻(xiàn)1 Capacitor Application and Maintenance Guide, TR-112175, EPRI, 1999.2 Printed Circuit Board Mainte

12、nance，Repair and Testing Guide, 1007916, EPRI, 2003.3 Management of ageing of I&C equipment in nuclear power plants, IAEA-TECDOC-1147, IAEA, 2000.4 Capacitor Performance Monitoring Project, 1001257, EPRI, 2000.5 Evaluating the Effects of Aging on Electronic Instrument and Control Circuit Boards and Components in Nuclear Power Plant