核電安全級DCS產品電容器的選擇分析

李石　徐坤　李鐵柱

摘要：該文對核電站安全級DCS產品的電容器種類進行了介紹，根據其功能特性以及在實際使用中的特點和問題進行了分析，并給了在產品研發期間電容器的最優選擇方案。

關鍵詞：安全級；DCS；電容器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0200-01

核電廠數字化儀控設備作為當今核電控制系統的主流解決方案，廣泛的應用與國內外的核電廠中。數字化控制設備的研發也是當今核電發展的熱門方向。安全級數字化設備用于實現核電站保護系統的功能，是保證安全發電，事故后防護的堅強屏障。對于安全級數字化設備而言，在研發階段的器件選型有著非常重要的意義。本文主要以電容器為例，總結了安全級數字化設備元器件選型的一般流程及解決方案。

在安全級DCS產品中，就以元器件而言，電容器的故障率是最高的，這也與它本身的特性有關。以電源電路為例，有超過70%以上的故障與電容有關，當它出現在高功率的電路中，這一現象就更加明顯。數字化板卡在研發階段會產生基于功能的一般需求。電容器作為一種儲能和濾波元件，用途十分廣泛，門類繁多。大致可以分為：薄膜電容，陶瓷電容，鉭電容，鋁電解電容，超級電容，氧化鈮電容等等。下面就淺析幾種選擇電容器的方法。

1根據使用頻率的高低選擇電容器種類

首先需要判斷電路的工作頻率，當它達到MHz的級別，這就屬于高頻電路，在安全級數字化設備中，主要是邏輯處理卡件和通訊卡件。此時，建議選擇疊層陶瓷電容器。在這種電路中，電容需要完成的功能大致雖都是濾波或者儲能充放電，但是，在工作頻率一定時，需要把電路工作頻率與不同種類的電容器的頻率特性做比較來判斷是否匹配。電容由于自身的種類不一致，都具有自適應的使用頻率范圍。所有種類的電容，當工作或測試頻率增加時，自身的電容值都會隨著降低，產生的損耗也會隨著增加。當工作或測試的頻率在中頻率段以下，并且有在不同溫度下的參數值一致性要求，此時可以選擇固體鉭電容。當遇到特性不同而難以選擇時，需要根據要求的主要特性來選擇電容器的種類。

2根據環境溫度變化要求選擇電容器種類

在上節提到的，溫度特性較好的電容器是固體鉭電容器，在-55℃-+125℃度的條件下，一些高壓固體鉭電容器溫的變化率甚至可以達到-3%-+4%之內。對于安全級核電數字化設備而言，鉭電容主要應用在通訊，邏輯處理及電源電路中完成濾波的子電路中。由于安全級核電產品的特殊性，這一類的電路中盡量選擇固態鉭電容。

3根據交流紋波大小來選擇電容器

電源卡件在安全級系統中有著十分重要的作用。在這種卡件研發選型的過程中，主要是在濾波電路中，此時，抗發熱沖擊特性是選擇電容器的首要因素，而且是在一定頻率和一定幅值的交流電壓和交流電流的條件下。并且，抗浪涌特性也是需要考慮的主要指標之一，這是因為當開關電路切換的瞬間會產生巨大的直流電壓和電流。除了以上的兩點，由于交流電壓自身的特性，還必須考慮不同電容器具有的耐紋波能力。通過大量的試驗經驗來看。電容器具有較好耐紋波能力的幾種電容如下：

卷饒式滌綸電容器，氧化鈮電容器，片式多層陶瓷電容器。在選型采購時，這三種應作為首先考慮的方案。

4全面特性評價選擇電容器種類

安全級產品的電路中，電路的傳輸特性和干擾特性不是以上幾點能夠總結的，這就需要通過經常使用的全面特性評價來選擇合適的電容器。通常的做法是，將電路中電容器使用的條件列出，例如最大耐壓，環境閾值，紋波特性等，然后選出幾種電容器，根據其特性逐一的討論列表。即便如此，還是常常無法選出合適的電容或無法平衡不用種類特性的取舍。此時，可以選擇電容器的廠家進行我們需要完成的試驗，通過實驗數據來選擇最優的種類。由于核電產品具有一定的特殊性，在選型前，不可避免的需要做一些試驗來驗證，也可以預防后期大量的鑒定試驗時產生的較高故障率。

通過以上幾點，可以在研發階段更加快速并且準確的完成電容器的選型工作，這一點在核電儀表系統中尤為重要。在工期的緊迫和產品的高質量要求下，合理的電容選型能夠規避一些不可控的風險以及保證質量的檢驗。