數據中心UPS 大功率電容的壽命分析

摘要：隨著數據中心的發展和數據中心用電設備需求的不斷增加，對UPS容量的要求日益提高。其中，數據中心的UPS尤為重要，它保障著數據中心的不間斷供電，一旦出現故障將會導致供電癱瘓及數據丟失。因此，UPS需要具備極高的可靠性以保障后端負載的不間斷供電。而隨著設備使用周期的延長，可能存在諸多因素會影響設備的正常運行，其中交直流電容是需要格外重視的部件。UPS交直流電容具有使用壽命預期，且低于UPS整機的使用壽命周期。在數據中心領域，UPS的電容檢測是UPS維護中的重要項目。

關鍵詞：大功率電容；電容預期壽命；預防性整體更換；更換周期

中圖分類號：TP301文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）35-0104-03開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1UPS使用的大功率電容

1.1UPS大功率電容器

在UPS內部使用有兩種電容器，直流電容組和交流電容組，如圖1所示。

1.2UPS中大功率電容器的作用

UPS中的交直流大功率電容器分別安裝在整流和逆變電路的輸出端。直流電容主要用于保證直流母線電壓的穩定、直流輸入端的濾波和瞬態電壓抑制；交流電容則用于抑制逆變輸出端的電壓和電流諧波，從而保證UPS穩定輸出電壓[1]。

UPS的直流電容采用鋁電解電容，交流電容組采用金屬化薄膜電容用于交流濾波。直流鋁電解電容的能量密度比交流金屬化薄膜電容要大，但鋁電解電容僅能用于直流電路。金屬化薄膜電容既可用于交流電路，也可用于直流電路，若采用直流金屬化薄膜電容，將極大增加UPS系統的尺寸和經濟成本。

因此，目前市場上主流方案是鋁電解電容用于直流電路，金屬化薄膜電容用于交流電路。

UPS內部所使用的大功率電容，主要特點是電容容量要求較大、使用數量較多、使用電壓等級較高、存在一定的紋波電流，且電容所處環境溫度比機柜外高。

2UPS電容類型及特性分析

鋁電解電容器和金屬化薄膜電容器的基本原理相同，但在內部結構、使用材料和工藝、應用場景等方面具有不同的特點和要求。下面對UPS內使用的兩種大功率電容器進行介紹。

2.1鋁電解電容

鋁電解電容器是一種電子元件，通常由兩個鋁箔作為極板，通過電解液和電介質隔離而成。其結構包括一個負極（通常是鋁圓筒）和一個正極（一片彎曲的鋁帶），正極片上通過陽極氧化處理形成一層氧化膜（通常是三氧化二鋁），作為電介質層。正極和負極之間浸漬有電解液，以提供電化學特性。鋁電解電容器具有高電容量、低內阻和穩定可靠的特點，適用于電源濾波或低頻電路中。它們具有極性，使用時須注意正負極的正確連接[2]。

鋁電解電容器的主要特點：

1）鋁電解電容器可實現較大容量，但漏電流相對較大。使用時具有極性，不能承受反向耐壓。

2）鋁電解電容器易受雜質污染，特別是Cl-、SO4-、Fe3+、Cu2+離子，加工及應用環境中不能含有這些離子的液體或氣體。

3）鋁電解電容器具有自愈特性，工作時電解液會修補絕緣介質的缺陷，同時產生氣體。工作過程中，如內部氣壓過高，防爆閥會動作，釋放氣體。

2.2金屬化薄膜電容

金屬化薄膜電容是以有機塑料薄膜作為介質，以金屬化薄膜作為電極，通過卷繞方式（疊片結構除外）制成的電容器。

金屬膜電容的關鍵材料是經過蒸鍍后的薄膜，選用不同的薄膜決定了電容器的主要性能，主要參數包括蒸鍍層金屬及形狀、基膜材質及表面處理、厚度、邊緣處理、是否為安全膜等。噴涂金屬直接影響電容器的ESR及耐電流沖擊能力。灌封料也是金屬膜電容重要的材料，優質的灌封料應同時具備絕緣、耐高溫、導熱、密封防潮等特性，尤其是防潮性能對保證電容器長期使用非常重要。

金屬膜電容器的主要特點：

1）金屬化膜層的厚度遠小于金屬箔的厚度，因此卷繞后體積也比金屬箔式電容體積小很多，相對可以實現較大的容量。

2）金屬化薄膜電容具有“自愈”特性這一優點，但同時會影響電容的容量。

3）環境中的濕氣會導致電容漏電流增加，縮短電容使用壽命。

3UPS電容壽命分析及預測

3.1影響大功率電容壽命的因素

電解電容器的使用壽命與環境溫度和紋波電流有密切關系[3]，環境溫度越高，電解電容器的使用壽命越短。如果環境溫度過高，超過了電解電容器的最高額定溫度，就會導致電解電容器中電解液沸騰產生過壓，使泄壓部件發生不可逆轉的泄壓動作，造成電解液泄漏，致使電解電容器永久性損壞。因此，電解電容器的存儲和使用溫度絕不可超過額定溫度。相反，若降低工作溫度則可以顯著延長電解電容器壽命。

紋波電流的影響：紋波電流產生的熱量引起電容的內部溫升，加速電解液的蒸發。當容值下降20%或損耗角增大為初始值的2～3倍時，預示著電解電容壽命的終結。紋波電流的大小引起的電容器熱應力增加對電解電容器的使用壽命有決定性影響，因此，由紋波電流產生的熱損耗是影響電解電容器使用壽命的重要因素。

在實際使用中常常可以觀察到電解電容器的實際壽命遠高于標稱值，這是因為使用溫度低于最高額定溫度。因此，若條件允許，盡可能降低環境溫度來延長電解電容器的使用壽命是一種行之有效的方法，故通常設計中要求電解電容器應遠離發熱源。

3.2電容預期壽命的推算

1）金屬膜電容器的壽命預算公式：

L=L0×（Vn/V）8×2T0+T/10

L：電容器在實際溫度和工作電壓下的預期壽命；

L0：電容器在額定溫度和電壓下的預期壽命；

Vn：電容器的額定電壓；

V：電容器的實際工作電壓；

T0：電容器的額定溫度；

T：電容器的實際工作溫度。

此項預算公式往往計算結果大于廠家給出的設計壽命，故此公式為理想狀態下的預算公式。

2）鋁電解電容器的壽命預算公式：

LX=LO×KTEMP×KRIPPLE×KVOLTAGE

式中：LX=估算壽命；

LO=額定壽命，廠家手冊中給出；

KTEMP=環境溫度加速項；

KRIPPLE=紋波電流加速項；

KVOLTAGE=電壓加速項。

①環境溫度加速項：

KTEMP=2（Tmax-Ta）/10

Tmax：最高工作溫度；

Ta：工作環境溫度。

采用熱效力法則評估：電容器的工作環境溫度每下降（上升）10℃，壽命就上升（下降）1倍。

②紋波電流加速項：

KRIPPLE=23-（Tc-Ta）/5

Tc：電容器芯子溫度；

Ta：電容器工作環境溫度。

根據熱效應定律評估，當電容器流過紋波電流時，芯子溫度每升高5℃，壽命將下降一半。如果電容器的紋波電流很小且溫升較低，當Kripple計算結果大于1時，此時Kripple應取值為1。

③電壓加速項：各電容器廠家給出的電壓加速項計算方法差異較大，其中部分廠家采用以下公式：

KVOLTAGE=（VO/VW）2.5

VO：額定電壓；

VW：實際工作電壓。

部分廠家提供計算列表，此類計算結果較為保守，業界普遍采用：

電壓降額＞90%，K取值0.8

90%＞電壓降額＞80%，K取值0.9

80%＞電壓降額，K取值1.0

注意事項：

推算結果并非保證值。

低溫段壽命推算時，應以40℃作為下限。

推定壽命計算結果超過15年時，通常以15年為上限。

公式預估結果與實際使用時間常存在較大差異。實際應用中，電容器工作環境溫度在50～80℃之間，部分設備因風扇磨損導致散熱效果不佳，致使壽命更短。因此，各廠家除提供預估公式計算預期使用壽命外，還根據具體使用情況提供了電容器設計壽命及不同條件下的電容器更換時間對照表。

3.3大功率UPS電容器的預期壽命與更換周期建議

大功率UPS內常用大功率電容器的期望壽命和推薦更換時間，如圖2所示。

根據上述典型壽命測試時間和工作條件下的預期使用壽命考慮，提出了直流和交流電容更換的建議方案。直流電容在最大額定條件下測試時間為2000至5000小時，據此計算出可靠運行時間為150000小時。交流電容在加速條件下測試時間為2000至3000小時左右，相應計算出在作業條件下可靠時間為100000小時。這兩組數據前后比例約為50%，由于比例差異較大，根據短時間壽命測試推算長期預期使用壽命會產生較大誤差，因此最終結果精確度不高。目前，電容器的可靠壽命主要依據現場測量數據作為實時參考，且定期更換電容組是確保高可靠性的最佳方法[4]。

目前越來越多的客戶已經認識到這一問題，認可UPS大功率電容器的可靠壽命，并在器件預期壽命周期內對電容組進行預防性的整體更換。

3.4實際應用中更換電容的分析參考數據

數據中心對使用超過5年的電容進行了大量分析，現就UPS大功率電容器使用5年的具體情況介紹如下：

大部分電容在使用5年左右容量衰減不明顯，但損耗均有不同程度的增加：

1）交流金屬膜電容內芯基本完好，鍍層基本完整，自愈點數量較少；

2）交流金屬膜電容內芯基本完好，但芯包存在發熱跡象，鍍層部分區域自愈點較多；

3）交流金屬膜電容內芯基本完好，容量在正常范圍內，但鍍層出現大片密集或整片缺失情況，存在嚴重失效可能；

4）直流電解電容內芯基本完好，鍍層基本完整，電解液呈現少量干涸跡象；

5）直流電解電容內芯基本完好，電解液溶質出現結晶現象，這種狀態不穩定，在高壓高溫條件下其修補氧化膜的效率將逐漸降低，常溫下電參數未顯示異常；

6）直流電解電容常溫電參數仍在正常范圍內，但內部干涸結晶嚴重，可能隨時發生嚴重失效。

由此可見，電容的衰減與使用環境具有較強相關性。

4UPS電容預防性更換策略

電容器應在預期壽命周期內及時更換。

根據相關IEC標準（IEC60831等）或廠家規格書規定，電容器壽命結束期的判斷標準明確，以下4項中若有1項滿足，即可判定電容器工作壽命已結束，電容器已失效：

1）容量相對初始值變化超過20％；

2）漏電流超過手冊規定的初始值；

3）損耗超過手冊規定初始值的200％；

4）出現明顯異常，如鼓起、漏液、炸裂等。

UPS系統需要高可靠性，不能等到電容器工作壽命結束后才進行維修或更換，否則會極大增加維修成本，降低系統可靠性，并帶來安全隱患。電容一旦發生故障或失效，其最可能的故障或失效模式為爆裂，這將擴大設備內部的故障范圍，引發更為嚴重的故障。為保證設備的持續正常運行和業務的持續在線，應在電容的預期壽命周期內，在電容尚未失效時就考慮更換。

預期使用壽命和可靠壽命雖然很相似，但它們并不相同。預期使用壽命是使用壽命的大致估計，是一個估值，例如1年、5年或10年等，這并不意味著設計壽命為5年的電容一定會在5年后失效，電容在預期使用壽命內也有可能損壞。可靠壽命是根據特定運行時間和工作條件下累計故障概率統計得出的數據。即使是最精確的統計學模型，由于測試數據的局限性，計算結果也存在很大的不確定性。盡管電容的可靠性數據可以從廠家獲取，但要實現高精度預測的可能性很小。因此，業界需要對電容進行定期預防性維護，包括基于使用年限和經驗進行電容更換，總之，通過最可靠的方式確保電容在UPS中正常運行。

5結論

經過以上對UPS電容壽命的分析，得出如下結論。

5.1建議整體更換

同一臺UPS系統中的電容，一旦出現第一個電容故障或失效，其他電容發生故障的概率將顯著提高。此外，電容失效容易擴大故障范圍。為最大程度保證系統可靠性，建議在電容的預期壽命周期內，按照推薦的更換時間進行預防性的整組更換。

5.25～6年左右是一個較好的經濟更換周期

YD/T1790.4-2009《通信局（站）電源系統維護技術要求第4部分：不間斷電源（UPS）系統》的附錄A中，已對電容的更換給出建議：濾波電解電容的建議工作年限為（6～7）年，5年后或根據設備的要求進行更換[5]。如前所述，精確預測電容的長期可靠運行時間非常困難。然而，從系統壽命的角度考慮，很多行業內UPS整機的建議壽命為10～12年左右，因此在5～6年周期內考慮電容的更換，可以在風險可控和整體壽命周期的投入上取得較好的平衡。

6大功率電容器未來研究方向的展望

隨著技術的進步和大功率電容器市場需求的增長，電容器在相關領域的應用將進一步發展。目前，大功率電容器的發展主要由超級電容器相關技術革新推動。采用新材料、雙電層、固態介質的超級電容器具有充放電時間短、使用壽命長、溫度特性優良、節能環保等特點。作為一種結合了傳統蓄電池和介電電容器的新型綠色儲能器件，超級電容器已在工業生產中占據了一席之地。隨著新能源汽車、智能穿戴設備等的普及，超級電容器若要進一步擴展其應用領域，降低成本、提高能量密度將成為下一步發展的重要目標。同時，制約超級電容器性能和成本的電極材料仍將是未來研究的重點[6]。

【通聯編輯：謝媛媛】