唐莱智 赵立婷

（海南核电有限公司，海南 昌江572733）

核电厂UPS电容老化及寿期管理

唐莱智 赵立婷

（海南核电有限公司，海南 昌江572733）

电容在电力设备中应用极其广泛，本文讨论了UPS系统中大容量直流电解电容和交流薄膜电容，因为电厂UPS系统众多，因此型号也不尽相同，因此所采用的电容也有所区别，但其特定工况老化、失效模式、期望使用寿命及预防维护等方面都是有一定规律的，本文分析了电容老化的一些主要原因，并在电厂预防性维护中，强化安全意识，科学考虑各类电容的老化及寿命，及时更换，避免因电容故障导致供电丧失。

直流电解电容；交流薄膜电容；老化

0 前言

电容在UPS系统中的应用广泛，大功率电容器主要分为交直流两种，虽然型号众多，但在线式UPS系统中，电容的功能相同的，主要用于整流滤波、稳压等。

在线式UPS的主要部分为：（1）整流器，用于将输入交流变换为直流。（有些设计还会在整流器前增加交流电容器，用于输入端滤波）（2）CB02直流母线电容，在整流器和蓄电池之后，用于维持直流母线电压稳定以及直流滤波。（3）逆变器，用于将直流母线电压逆变成交流输出。（4）CB03输出交流电容，用于输出端滤波。

直流电解电容，介质材料为三氧化二铝，铝箔为电极，用于直流滤波。交流薄膜电容介质材料为聚丙烯，用于交流滤波。如果没有电容滤波，那么UPS系统输出的电能质量会很差，无法满足供电可靠性要求。

1 电容老化击穿事故

直流电容接在整流器输出端正负极间，当电容老化击穿，则直接导致直流正负极短接，造成主回路损毁。因为此处还与蓄电池直连，故障时会直接跳开主回路进线开关和蓄电池进线开关。但此时仍可由静态开关切至旁路运行。

但一些老式的UPS，电容设置在主回路和旁路的总输出回路上，在负载之前，这种设计下，电容短路会导致负载直接失电，且无法切至旁路。

交流电容同样存在这种击穿的可能性，导致交流输出端短路。电容器老化最严重的故障就是上述击穿导致隔直失效，造成正负极极间短路。在UPS历史中，电容击穿导致设备损毁的案例不胜枚举，在排除偶然性故障后，最多的就是因为电容自然老化导致击穿。对电容器这一元件的特性认识不足，导致在预防性维修工作中，没有考虑电容寿期，最终导致巨大损失。

2 电解电容老化的原因分析

交直流电容的老化源于两个基本原理：第一是化学反应，热量和元件内部化学杂质，会导致介质材料的绝缘恶化，例如氧化物，水分，湿气，卤素等等。第二种是漏电，电容介质材料在施加电压后，虽然可以被认为是绝缘的，但仍有微小电流，这种电流即漏电流，这种电流量级非常小，但仍会导致局部热量升高或导致材料电子活跃度增加。漏电流和化学反应都会导致电容容值下降和等效电阻增加。

对于电解电容来说，老化主要源于内部电解质散失，随着电解质减少，电容值减少。工作时内部温度越高，老化过程进行越快，因此，电解电容的老化过程与其内部温度密切相关。除此之外，电容在制造过程中，难免会在内部留存化学杂质。因此，我们目前所使用的电解电容和薄膜电容，都会有这样的老化过程，因此在运行过一段时间后，电容的故障概率会逐渐增大。而且，因为一组电容器通常不止含有一个电容，整租电容中的一个发生击穿，就能导致事故发生。

另外，纹波电流的大小也是造成电容寿命降低的原因之一，由纹波电流产生的热损耗，是影响电解电容器使用寿命的重要因素，当环境温度一定时，在允许的范围内，流过的纹波电流越大，电解电容器使用寿命越短，其原因在于电解电容散热性较差，当纹波电流流过电容器时，在等效串联电阻上将电能转化成热能，因此温度上升，导致寿命降低。

相比较来说，电解电容体积远大于薄膜电容，且在寿命、安全性等方面不如薄膜电容。而且薄膜电容具有耐压高、电流承受能力强、能承受反压而且可以长时间储存等优点，因此在实际应用中，薄膜电容正在逐步替代电解电容。

3 电容寿命的估计

电容器寿命的计算有很多种方法：例如通过计算电解质剩余提交来估算剩余寿命；通过计算电容的等效串联电阻来实现损伤评估；通过计算点解电容核心温度的的理论计算方法，对于使用阿伦尼乌斯方程的电解电容寿命评估方法，并采用参数辨识的方法对电解电容的等效串联电阻进行提取，以之作为估算电解电容损伤；通过直流纹波电压和电流的基波比值，计算等效串联电阻，并在纹波电压和电流中滤除其之路成分，防止负载变化的干扰。

但是由于电容寿命评估只是一个指导原则，且理论计算只是考虑理想运行环境及固有特性前提，因此数据缺乏准确度，在使用量庞大的电容中，无法预知第一个电容会在什么时候出现故障失效，因此需要根据电容寿命的评估，在寿期末定期进行更换，才能确保供电系统安全稳定运行。

对于薄膜电容，尽可能在容值最大损失5%到10%可以进行更换，对铝电解电容最大损失15%-20%来更换，因此，在预计的电容寿期末，需要定期对电容进行测量。除此之外，还要测量等效串联电阻的值，如果该值增加较大，铝电解质电容超过200%，薄膜电容超过100%，就可以进行进一步评估，是否需要更换。

4 总结

影响电容寿命最主要的几个方面，需要在电力设备维护中重点考虑，定期测量电容容值、记录年检数据，可以了解电容器的老化进程，并通过可靠性计算等方式，最终确定一个寿命终止的标准，并及时更换，确保UPS系统能够拿更长的安全供电寿命。避免因为电容器的损坏，导致更严重的电气事故发生。

［责任编辑：李书培］