DX600發射機大型電容器壽命影響因素分析及維護思路

趙勇

【摘要】 本文分析了影響電源濾波電容使用壽命的諸多因素，結合我臺兩部DX600發射機實際維護中出現的情況，給出了有效改善諸多不利因素的維護思路。

【關鍵詞】 DX600 發射機 電容 壽命

HARRIS公司生產的DX系列發射機末級采用MOSFET射頻放大單元，采用低電壓、大電流的主電源。以DX600的單個PB為例，其主電源輸出250VDC、900A（載波狀態），這樣的電源輸出電流大必然要求等效內阻很小，為得到良好的濾波效果，必須使用很多濾波電容，該電源的濾波電路共采用了55支5100μF/350V電解電容，同時，驅動部分和二進制模塊125VDC電源濾波分別采用 2支5500μF/200V電容并聯和1支18000μF/200V，以上電容均為鋁質大型電解電容。

我臺兩部DX600發射機，隨著使用年限的加長，發射機內電解電容陸續出現低效或失效現象，那么，這些電解電容出現低效和失效是正常壽命終了還是另有原因呢？

一方面電解電容本身的設計制造、選用材料和制造工藝決定了其使用壽命。另一方面電容器的使用環境也影響電解電容的使用壽命。由于發射機所用電容器均為原廠正品，故設計因素，這里不作探究，主要針對使用環境和狀態進行分析。

一.電解電容正常使用壽命

電解電容使用非固態電解液，其壽命取決于電解液的蒸發速度，電解液缺失到一定程度致使電容器電氣性能降低，導致電容器低效直至失效，關于電解電容的壽命計算有專題研究得出的公式，

L：實際使用平均壽命；

Lb：最大溫度下的基本壽命；

Tmax：最大工作溫度；

Ta：實際環境溫度：

△Tjo：加上最大額定紋波電流后，電容器的內部溫升；

△Tj：加上實際紋波電流后，電容內部溫升；

其中電容器內部溫升△Tj跟紋波電流（IRMS）和電容器的等效串聯電阻值（ESR）有關。

由公式，影響電解電容壽命的幾個直接因素是：環境溫度（Ta）、紋波電流（IRMS）、等效串聯電阻值（ESR）。對于給定成品電容器等效串聯電阻值（ESR）是恒定的，實際使用中，影響因素就是環境溫度（Ta）和紋波電流（IRMS），在維護過程中，可以從這兩個因素著手。

把以上兩個因素分割來分析，存在一種有意義的假設：如果電容器工作電源紋波電流近似于額定紋波電流，紋波電流的影響部分為1，那么電容器工作溫度每升高10度，使用壽命將下降一倍，反過來，電容器工作溫度每下降10度，使用壽命將提高一倍。在實際使用中常可以看到電解電容器的實際壽命遠比標稱值高，這就是使用溫度低于最高額定溫度的原因。我臺一部DX600已使用12年多，電容出現低效和失效現象，從整體上是正常的，只是在維護工作中，盡可能降低環境溫度和保持良好的電源紋波系數，以最大可能延長電解電容器的使用壽命。

二.電解電容非正常失效的可能原因

1.環境、焊接以及電路中紋波電流異常而造成電容工作溫度異常升高

環境溫度以及焊接過程的高溫，可導致電容器失效不難理解。電路中紋波電流的存在也同樣導致電容器內部升溫而最終使電容器失效，當紋波電流流過電解電容器時，由于電容器存在一個等效串聯電阻（ESR），會導致電容內部溫度上升，從而導致使用壽命降低。對于普通電解電容器而言，高頻紋波電流將比工頻紋波電流的熱效應大，因此，在開關電源的輸出濾波或負載具有很高的高頻紋波電流時，應用普通電解電容器會感到明顯發熱，電容器的壽命明顯下降。

2.工作電壓超過電容器設計最高電壓

電容器在過壓狀態下容易被擊穿，而實際應用中的浪涌電壓和瞬時高電壓是經常出現的。尤其我國幅員遼闊，各地電網復雜，經常會出現超出正常電壓的30%。經測試表明，常用的450V/470uF 105℃的進口普通2000小時電解電容，在額定電壓的1.34倍電壓下，2小時后電容會出現漏液冒氣，頂部沖開。根據統計和分析，與電網接近的開關電源PFC輸出電解電容的失效，主要是由于電網浪涌和高壓損壞。電解電容的電壓選擇一般進行二級降額，降到額定值的80%使用較為合理。

3.反極性電壓造成電容器異常失效

鋁電解電容器由如下幾部分組成：陰極鋁箔、電解紙、電解液，陽極鋁箔以及形成于陽極鋁箔表面作為電介質的氧化鋁層。形成于陽極表面極薄的一層氧化鋁在電解電容中扮演電介質的角色。它具有優越的介電常數以及單向特性（rectifying properties）。就是這個單向性使電解電容有極性，可以通過交流是電容的充放電特性形成的，實際電荷并沒有通過電容器，電解電容反向擊穿電壓很低，所以電解電容器不能用于交流電，只能用于直流電且不允許反極性饋電。如果極性接反了，電容器的漏電流急劇增大，內部電極嚴重發熱，導致電容器失效，嚴重時會燃燒爆炸，損害線路板上的其它器件。

三.DX600發射機電容失效故障現象及維護思路

我臺兩部DX600發射機內部電容陸續出現部分電容低效和失效，其中一部發射機一次發現近二十支低效和失效電容，出現較多電容失效后，發射機狀態異常：一是發射機保險板上的35A大保險無規律熔斷；二是開機后功率模塊保險熔斷的概率也變高；三是發射機整機信噪比、失真指標均有下降。以上，前兩個燒保險異常原因是濾波電容失效后沖擊電流大導致部分保險燒；而發射機信噪比和失真指標下降，是由于電源紋波系數變大引起，更換新電容后狀態恢復。

通過以上電解電容使用壽命影響因素的理論分析，結合我臺DX600發射機出現的故障，對照出現電容故障發射機的實際運行情況，發射機上電容陸續低效或失效，其主要原因是發射機投入使用年限較長、南方夏季氣溫高發射機房環境溫度相應偏高、加上當地外電線路供電波動大、異常干擾脈沖成分高，諸多原因造成。

為使發射機保持良好運行狀態，可從以下4個方面加強檢修維護：

1.及時排查并更換失效的電容。從電解電容失效機理可知，當發射機電源濾波電容出現部分失效后，使整機電源紋波系數變大。所以，無論是正常壽命已到還是異常失效，均應該盡早測量出低效或失效電容，并更換新品，否則由于存在部分失效電容，使發射機電源濾波電容受損失效進入惡性循環。

2.采用原廠優質或更高參數的電容器。在實際維護中，為了節省維護經費，我臺采取向國內一級電容生產廠商定制相同規格電容，同時，在最高溫度和額定使用壽命等參數上要求達到更高等級，希望能在同等使用條件下，使用壽命更長。

3.排查發射機冷卻系統是否符合規定要求。隨著使用年限的加長，我臺一部DX600發射機的冷卻水流量慢慢減小，總流量由裝機時的46GPM下降到35GPM，三個PB的冷卻水流量從16GPM分別下降到12.5GPM、12.5GPM和11.5GPM。水流量減少勢必會影響發射機的散熱效果，造成機箱內溫度上升。經仔細排查，發現水路系統連接整流柜管道接頭和可控硅接頭兩端的軟管均有不同程度的堵塞。造成冷卻水流量變小的原因是：整流柜內水冷管道與電源距離非常近，長期受電流和電壓的影響，冷卻系統管道內污物雜質在電蝕的作用下，聚集在金屬和軟管交接的附近，使管口有效內徑變小，從而導致水流量減小。解決的辦法是：拆開PB整流柜可控硅與銅管上下連接部的橡膠軟管，進行清除處理后，PB水流量都上升至15GPM，總水流量由35GPM上升至45GPM。

4.改善發射機房通風制冷條件，降低發射機環境溫度。發射機產生的熱量通過輻射、熱交換等方式與外界氣溫達到一個熱交換平衡，如果機房通風或制冷條件較好，則這個平衡溫度就較低，反之，機房通風制冷效果不好，則熱量聚集在機房中，當發射機與機房溫度平衡時，發射機內部和機房內溫度均較高。

四.結束語

本文結合DX600發射機的實際故障和維護情況進行分析歸納總結而成，但對于采用其它類型發射機的單位，同樣具有參考價值，對于類似大型電解電容使用較多的發射機，如PSM發射機，甚至一些其它設備，本文分析的原因結論同樣適用，所不同的是，各種影響因素產生的機理不一樣，需具體問題具體分析，針對各個因素逐個加以改善解決，一樣可以達到良好的維護效果。