鋁電解電容的老化機理及壽命預測研究

趙鵬

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳518124）

1 引言

由于某核電站的在役運行時間越來越長，運行設備的老化情況也引起了一定的關注。該核電站的儀表控制、相關低壓電氣設備從建站起已將近30年。鋁電解電容作為核電站儀表控制、相關低壓電氣設備的關鍵元器件被廣泛地應用于諸多系統中，長期運維發現在役和庫存備件的各種型號的電容呈現程度不一的老化趨勢。電解電容老化程度輕的會導致設備性能降級，影響核電站運行可靠性，重的會引起停機停堆等重大事故，造成重大經濟損失及社會影響。因此，如何在日常運維過程中有效保證電解電容的可靠運行，成了一個需要迫切解決的問題。

本文針對某核電站重要直流及不間斷電源系統鋁電解電容的運維情況，研究電容的內部結構與老化失效機理，指出溫度引起的熱應力是影響電解電容使用壽命的決定性因素，同時研究了環境溫度、紋波電流對使用壽命的影響，研究基于阿氏模型并結合電容的特征參數的壽命預測模型，并依據電容工作情況評估電容的剩余使用壽命，給出電容使用壽命延長方案，為電解電容器的壽期管理提供技術支持。

2 內部結構與老化失效機理

鋁電解電容器內部結構是將附有氧化膜的鋁箔（正極）和浸有電解液的襯墊紙，與陰極（負極）箔疊片一起卷繞而成。正負極金屬箔片之間有兩層浸過電解液的電解紙充當電介質和絕緣介質，外型封裝有管式、立式，并在鋁殼外有藍色或黑色塑料套。

如圖1，電解電容的安全工作區域由額定紋波電流與最高允許使用溫度構成。相較于其他電子元器件，電解電容屬于使用壽命較短的元器件，當其老化發展到一定程度時，電容的靜態容量、等效串聯電阻ESR、漏電流等關鍵性能參數均將發生重大變化，影響整個設備的穩定性與可靠性。

鋁電解電容在實際應用的初期與穩定期內的故障率呈現較低狀態，但隨著內部電解液不斷揮發，電解電容的外觀和關鍵性能參數都會隨之變化。電解電容中心核溫由環境溫度和紋波電流與ESR所產生的內部溫升決定。電解液的揮發速率又會隨著電容核心溫度的升高而加快，進而導致電容的ESR變大，靜態容量值變小，從而形成惡性循環，導致電解電容電解液揮發加速、伴隨壓力上升、溫升變大，最終導致電解液干涸，電容功能失效，如圖2。

圖1 電解電容工作區域

圖2 老化電容電解液干涸電解紙變色

3 電容壽命影響因素

電容老化失效機理指出溫度是影響電容使用壽命的主要因素。以溫度為加速壽命試驗（ALT）的唯一環境應力，電容失效時間呈指數分布，則可采用化學動力學中的阿氏模型對其進行壽命預測與評估。目前，Rubycon、Nichicon、NCC等電解電容頭部供應商在其產品手冊中所使用的壽命預測模型，均是以阿氏模型為基礎，并考慮環境溫度、紋波電流的影響。

3.1 環境溫度

電解電容失效機理顯示，電解電容的老化失效是持續發生的化學過程，Rubycon公司基于阿氏模型與經驗數據提供了電解電容的壽命預測模型公式：

式中：TR是產品手冊給出的電容最高允許工作溫度；TA是電容的實際工作環境溫度；LR為產品手冊給出電容在溫度TR條件下特征壽命；LN為電容在溫度TA條件下的預測壽命。其中表征了周圍環境溫度對電容壽命的影響。在紋波電流一定的情況下，可知電解電容的工作環境溫度每下降10攝氏度，其使用壽命便會延長1倍。相反，環境溫度每升高10攝氏度，其使用壽命就會縮短1倍，一旦環境溫度過高，超出電解電容的最高允許工作溫度，將會造成電解電容中電解液沸騰，產生內部過壓并進行不可逆泄壓動作，導致電解液泄漏，使電解電容永久損壞。因此，可通過盡可能降低工作環境溫度，來延長電解電容的使用壽命。

3.2 紋波電流

相較于金屬化薄膜電容、陶瓷電容等其他類型電容，電解電容的損耗正切值tanδ較大，tanδ跟溫度及電壓相關，tanδ值越大，電容發熱就越大，它是交流電壓下介質中的能量損耗標稱。當交流分量電流流經電解電容時，相應損耗就會產生并引起內部溫升。該溫升對于電解電容預測壽命的影響也遵循公式（1），由公式表征，C為與電容類型相關的常數，可以查詢產品手冊得到。Tr與環境溫度TA一起成為電解電容使用壽命的關鍵影響因子。內部溫升Tr可以通過測量得到，也可以通過紋波電流歸一化算法得到，Rubycon公司提供了內部溫升推算公式如下：

式中，Tr0為與電容類型相關的常數，kf是考慮到電解電容不同頻率ESR不同，進而歸一化到標準頻率（如120Hz）的頻率系數，這兩個參數均可通過查詢產品手冊得到，Irms和Irms0分別為當前和額定的紋波電流有效值。溫升導致的熱應力對電容的使用壽命有重大影響，因此，由紋波電流引起的損耗是影響電解電容使用壽命的重要因子，現場使用時應盡可能減小電解電容的紋波電流。

3.3 外形尺寸及安裝方式

工作條件下的電解電容中心核溫TJ是內部溫升Tr與環境溫度TA共同影響的結果。熱應力是影響電解電容使用壽命的決定性因素。如果電源內部空間允許，應盡量選取外形尺寸較大的電容，增大散熱面積，且電容間保持必要的間隔，將有利于電容本體損耗熱量的輻射與對流，有效降低電容的內部溫升Tr，同時注意電解電容的安裝位置，遠離發熱源，靠近通風口，降低環境溫度TA，進而降低電解電容中心核溫TJ。

4 電容壽命預測

隨著技術設計、制造工藝等各方面日益成熟，各廠商推出了許多高紋波、長壽命的電解電容產品，同時國內外專家學者對其失效機理與壽命預測模型的研究也逐步深入，形成了大量的研究成果。基于對關鍵元器件的壽命預測模型，無需對產品整機進行老化試驗，只需對部分關鍵元器件建模進行針對性的老化試驗研究，即可全面有效地分析、評價產品的可靠性。

4.1 威布爾（We ibull）分布壽命預測模型

電容的可靠性一般可用威布爾分布表示：

式中，R（t）為電容經過時間t可以正常運行的概率；tld為特征壽命；β為形態參數常量，與電壓，溫度無關，β可以通過加速老化試驗和現場故障數據確定，tld為穩態工作狀態下的特征壽命，與溫度、電壓應力有關：

式中，tldco為電解電容在溫度TR下使用壽命，Un和TR為額定電壓和額定溫度，U和TA為實際工作電壓和工作溫度，Vscale為比例因子。由公式（4）可知除了降低電容的工作環境溫度，還可將額定電壓高的電容應用于實際運行電壓較低的工況（降額應用，降低電壓應力），可以增加電容的安全邊際，延長電容的使用壽命。

4.2 Rubycon公司壽命預測模型

基于阿氏模型并根據經驗數據測算，Rubycon公司提供了鋁電解電容的預測壽命LN測算公式（1）,此外，還提供了基于紋波電流歸一化算法的內部溫升Tr測算公式（2）,以某核電站直流電源系統使用鋁電解電容CO39 6800uF/160V/85℃，額定壽命LR=10000H，允許紋波電流Irms0=13.7A/100HZ，在環境為TA=50℃的130V/50HZ、Urms=99.09mV的電路中使用，通過查詢產品手冊可知，Tr0=5℃，C=0.571，Rs（ESR）=16mΩ，kf=0.8則可知Irms=Urms/Rs（ESR）=99.09mV/16mΩ=6.19A，則通過公式(2)可得Tr=1.59℃，將LR、TR、TA、C、Tr帶入公式(1)可得預期壽命LN≈17.1年。

由公式(1)(2)可知，具體分析電解電容的使用壽命時，環境溫度和紋波電流是兩個必須同時考慮的重要因素。紋波電流和環境溫度共同確定了電解電容的安全使用范圍及使用壽命。在圖1所示的安全工作區域內，環境溫度越高，紋波電流越大，電解電容的使用壽命就越短。

5 結語

鋁電解電容作為短板元器件制約了電源產品的使用壽命，溫度引起的熱應力是決定電解電容使用壽命的重要因素。本文基于電解電容的內部結構與老化失效機理，分析研究環境溫度與紋波電流、外形尺寸及安裝方式等因子對鋁電解電容使用壽命的影響。研究了以電壓應力、環境溫度為變量的威布爾（Weibull）分布壽命預測模型、基于阿氏模型以環境溫度、紋波電流溫升為變量的Rubycon公司壽命預測模型，并測算了某核電站使用的鋁電解電容的預期壽命，結果與現場實際情況基本相符。