预防性维修电容参数的选择方法

1、预防性维修电容参数的选择方法尤志芳中广核仿真技术有限公司，广东 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：通过对核电站仪控电源电容的老化机理分析，讨论了老化对电容参数的影响及在预防性维修中电容参数选择对电容和其他电源电子元件寿命影响。从延长电源寿命出发，提出预防性维修电容参数的选择方法。关键词：电容；老化；预防性维修；电路1 1 引言核电站仪控电源是重要的电子设备，其失效通常会引起核电站重大的经济损失。电容是电源重要电子元件，研究电容老化、失效和预防性维修对安全生产有重大意义。电源电容失效可能在电容使用早起，通常由电容制造缺陷、电源安装维修不当或设计不当引起；大部分电源电容失效是在使用末期，由老化导致电容的参数变化引起电源性能超出允许范围而失

4、效，甚至电容失效直接导致电源失效。在电容预防性维修过程中，对电容参数的选择是对电源电路参数再分配过程。合理的选择电容参数不仅可以延长电容老化和失效的时间，还可优化电源其它电子设备的环境应力，从而提高电源的可靠性。因此，深刻认识电容参数变化对整个电源电路和电源寿命的影响，对电容预防性维修有重要指导意义。2 2 环境应力核电站用电容主要环境应力有：（1）气候环境应力，主要包括温度、低温、潮湿、干燥、气压等，主要影响电介质特性和电容外表面腐蚀；（2）机械环境应力，主要包括冲击、振动等机械应力。对使用机械应力集中易损坏的电容影响比较大，如陶瓷电容；（3）电应力主要包括电压、电流、强磁场等，电压过大和电

5、流过大都会引起电容的击穿烧毁。3 3 电容老化机理及对电容参数影响核电站仪控电源的电容主要陶瓷电容、云母电容、有机薄膜电容、电解电容。研究表明在核电站寿期内陶瓷电容和云母电容及有机薄膜电容没有明显的老化机理，因此不考虑其老化作用；而电解电容抗老化的能力比较弱。仪控电源的电解电容主要有液态铝电解电容、固态钽电解电容、固态铝电解电容。液态铝电解电容的电容量相对大，主要应用在电源、逆变器等功率型器件中作为储能和滤波元件。液态铝电解电容在工作和储存状态下都有老化现象。在工作状态下，老化机理是电解液挥发，当电解液质量失去 40时候，电容可以看作失效。液态铝电解电容老化直接影响的参数是等效串联电阻。随着电

6、解液的挥发，等效串联电阻增加，从而增加焦耳热，提高温度加速电容的老化。通过对铝电解电容老化机理分析发现其主要老化应力是工作环境温度 T 和纹波电流 IAC。在储存状态下，电介质氧化铝溶化到电解液中，减小等效并联电阻。固态钽电解电容的电介质氧化钽在高温下容易结晶。在纹波电流和工作电压比较大的电路中，固态钽电解电容比较容易老化。老化导致的结果是电容等效并联电阻减小，漏电流增加，电容发热增加，加速老化，最终导致电容短路。固态铝电解电容的电介质氧化铝是高温比较稳定，不会产生结晶现象。这类电容能够承受很高的温升，正常使用不会老化。因此，仪控电源预防性维修主要针对液态铝电解电容和固态钽电解电容。4 4 预

7、防性维修对电路参数的影响根据研究，在电子设备中，影响元器件的寿命的主要应力有温度和电流。温度和电流通常是偶合关联关系。温度的变化一方面影响电子元器件材料的属性，影响参数，从而影响电流；电流的变化影响电子元器件的焦耳热，从而影响电子元器件的工作温度。电子设备的电子元器件随着使用时间的增加逐渐老化。电子元器件的性能参数随着老化逐渐变化。通常通过预防性维修来消除老化对电子设备的影响。核电站电容的周期性预防性维修主要是为了消除老化和失效的电容。由于电容的参数的差异，预防性维修也直接改变了电路参数，从而改变了其他电子元器件的电应力。从电子设备的寿命出发，希望在电容预防性维修后，不增加其他电子设备的电应力

8、，即不加速其他电子元器件老化。5 5 计算分析下文主要分析线性电源电路中液态铝电解电容参数变化对电容自身寿命的影响，以及对整流二极管 1N4001 的影响。铝电解电容的主要参数：等效串联电阻、容量、漏电流、纹波电流、额定工作温度等。下式是电容产家给出的铝电解电容寿命预计拟合公式： 0101050222TTTTTTLL （1）其中：LT为电容在环境温度为T、纹波电流为IAC条件下的估算寿命（h） ；L0为额定温度T0，额定使用VDC条件下的寿命（h） ；为纹波电流)/()2tan(22AIRfCITppACIAC和电容漏电流导致的温升。是损耗因子，是fCRs2tansR等效串连电阻；C 是电容量

9、；A 为电容散热面积，为表面散热系数，工作频率，fU 为电容两端加的直流工作电压，Rp 是等效并联电阻，是电容漏电流。pI从（1）中可以看出环境应力工作温度每增加 10，铝电解电容的寿命减半。通过选择额定工作温度高和寿命长的电容，再降级使用可以有效的延长电容使用寿命。电应力纹波电流IAC通过等效串联电阻发热影响电容寿命，在纹波电流不变的时候可以适当的降低电容器的等效串联电阻可以改善电容的工作环境，提高电容寿命；但是减小等效串联电阻会增加纹波电流，即增加电容的充放电电流。铝电解电容的漏电流由电容的等效并联电阻和工作电压决定。漏电流越大，电容的发热越大，降低电容寿命。铝电解电容的等效并联电阻主要电

10、介质氧化铝决定，由于液态铝电解电容的电介质有自修复功能，当温度变化不大，等效并联电阻变化很小，漏电流变化不大。电容值的增加会减少充电时间，增大充电电流。图（1）是整流二极管 1N4001 的工作电流与正向压降曲线图。在图中可以看出当工作电流小于 0.1A 时整流二极管正向压降随着工作电流的变化，当工作电1dIU流大于 0.1A 时；通常整流二级管1IdU的设计电流0.1A。所以电容的等效串联电阻减小时，整流二极管两端的压降变化不大，对输出电压的稳定性影响不大。但整流二极管的热功率会增加。IUd图（1）整流二极管 1N4001 工作电流与正向压降曲线整流二极管的寿命与电流的关系可由公式（2）表达

11、。式中t1，t0分别是整流二极管在电流I1和I0条件下的寿命，a是经验常数，为焦耳热的函数。根据公式（2） ，增加充电电流会缩短整流二极管的寿命。 aIItt)(1001（2）6 6 结论通过上文分析，在电源电容预防性维修时，额定工作温度高和寿命长电容均可以在降级使用时有效的延长电容的寿命。增大容值和减小等效串联电阻会影响其它电子元器件的寿命。漏电流小可以延长电容和其它电子元器件寿命。参 考 文 献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