UPS使用大功率電容器的原理及壽命預(yù)期
一．大功率電容器介紹
1.1 UPS為什么需要使用大功率電容器
鋁電解電容用于直流濾波作用及保證直流母線電壓的穩(wěn)定，金屬化薄膜電容用于交流濾波作用。如果沒(méi)有電容濾波，UPS系統(tǒng)只能提供劣質(zhì)的供電質(zhì)量，無(wú)法勝任為要求高可靠性的系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的交流電源。
鋁電解電容容量（能量密度）上比金屬化薄膜電容要大，但是鋁電解電容只能用于直流電路，金屬化薄膜電容既可以用于交流電路，也可以用于直流電路，金屬化薄膜電容如果用于直流，則極大增加UPS系統(tǒng)的尺寸和成本。所以主流應(yīng)用就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。
在UPS內(nèi)使用的大功率電容，典型的應(yīng)用工況就是電容容量要求比較大、使用數(shù)量比較多、使用電壓等級(jí)比較高、存在一定的紋波電流、電容身處環(huán)境溫度比機(jī)柜外高。
1.2 大功率電容器簡(jiǎn)介
電容器的原理都相同，由兩塊金屬電極之間夾一層絕緣電介質(zhì)構(gòu)成，當(dāng)在兩金屬電極間加上電壓時(shí)，電極上就會(huì)存儲(chǔ)電荷。
不同類型的電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、使用材料和工藝、應(yīng)用場(chǎng)景有自身的特點(diǎn)和要求。下面就UPS內(nèi)使用的兩種大功率電容器做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。
1.2.1鋁電解電容：
鋁電解電容器主要原材料是正極箔和電解液，這兩種材料是鋁電解電容中最重要的原材料，它們決定了電容器的性能及壽命，對(duì)材料的純度、雜質(zhì)濃度有嚴(yán)格的要求。特別是電解液，它是在液體溶劑中添加了多種化學(xué)物質(zhì)混合而成，每個(gè)廠家的電解液配方是保密的。
另外鋁電解電容中其它比較重要的原材料如下，對(duì)原材料的雜質(zhì)濃度都有要求：負(fù)極箔、引出線(導(dǎo)電條)、電解紙、芯子包封膠帶、橡膠塞(密封蓋板)、 鋁殼。
鋁電解電容器的主要特點(diǎn)：
◆鋁電解電容器可以做到很大容量，漏電流也相對(duì)較大。使用是有極性的，不能有反向耐壓。
◆鋁電解電容器怕雜質(zhì)污染，特別是怕Cl－、SO4－、Fe3＋、Cu2＋離子，加工及應(yīng)用環(huán)境中不能含有這些離子的液體或氣體。
◆鋁電解電容器有自愈特性，工作時(shí)電解液會(huì)修補(bǔ)絕緣介質(zhì)的缺陷，同時(shí)產(chǎn)生氣體。工作過(guò)程中，如內(nèi)部氣壓過(guò)高，防爆閥會(huì)動(dòng)作，釋放出氣體。
1.2.1金屬化薄膜電容：
金膜電容的關(guān)鍵材料是經(jīng)過(guò)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(shù)有蒸鍍層金屬及形狀、基膜材質(zhì)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。
灌封料也是重要的材料，好的灌封料應(yīng)同時(shí)具備絕緣、耐高溫、導(dǎo)熱、密封防潮等特性，特別是防潮性能對(duì)保證電容器長(zhǎng)期使用非常重要。其它輔助材料還包括：連接線、鋁罐、上蓋、接觸端子、絕緣材料、螺釘、放電電阻，座墊等。
u 金屬化膜層的厚度遠(yuǎn)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(duì)可以做到較大的容量。
u 金屬化薄膜電容的優(yōu)點(diǎn)是“自愈”特性，但同時(shí)會(huì)影響電容的容量。
u 環(huán)境中的濕氣會(huì)影響電容增加漏電流，縮短電容使用壽命。
二．大功率電容壽命探討
2.1 影響大功率電容壽命的因素
a區(qū)：早期失效率,電容器工廠、整機(jī)廠家在出廠前都會(huì)做老化篩選
b區(qū)：使用過(guò)程中失效率，廠家給出的使用失效率一般都小于10PPM
c區(qū)：壽命結(jié)束期老化失效率
電容器的故障有很多種故障模式，但從整個(gè)生命周期來(lái)看，可以主要分為三個(gè)階段：制造時(shí)的瑕疵；安裝和使用時(shí)的異常情況；正常使用隨時(shí)間的劣化。
◆ 制造時(shí)的瑕疵
雖然可能因素項(xiàng)很多，但目前的質(zhì)量控制一般都很好。若質(zhì)量控制出現(xiàn)問(wèn)題，一般會(huì)呈現(xiàn)出批次性的問(wèn)題。個(gè)體的質(zhì)量瑕疵，一般也會(huì)在使用早期階段體現(xiàn)出來(lái)。要注意的是，大功率電容的電解質(zhì)表面面積非常大，面積中的薄弱點(diǎn)成為電容性能的薄弱環(huán)節(jié)。
在后面有關(guān)壽命的探討中，暫不考慮這些制造時(shí)的因素。
◆ 安裝和使用時(shí)的異常情況
安裝時(shí)因外力受損、使用時(shí)異常的溫濕度環(huán)境、過(guò)高的電壓、過(guò)大的紋波電流、過(guò)大的電流沖擊等因素，都會(huì)影響電容器的正常使用壽命。
◆ 正常使用隨時(shí)間的劣化
隨使用時(shí)間的增加，電解液的蒸發(fā)、密封材料的老化等不可避免的會(huì)出現(xiàn)，會(huì)影響電容器的容量和使用壽命。電容器有壽命設(shè)計(jì)要求，當(dāng)使用時(shí)間超過(guò)電容器的設(shè)計(jì)壽命時(shí)，電容器的失效率會(huì)迅速上升。
2.2 電容預(yù)期壽命的推算
◆ 金膜電容器的壽命預(yù)算公式
L：電容器在實(shí)際溫度和工作電壓下的預(yù)期壽命
L0：電容器在額定溫度和電壓下的預(yù)期壽命
Vn：電容器的額定電壓
V：電容器的實(shí)際工作電壓
T0：電容器的額定溫度
T：電容器的實(shí)際工作溫度
◆ 鋁電解電容器的壽命預(yù)算公式
其中：LX=估算壽命；
LO=額定壽命，廠家手冊(cè)中給出；
KTEMP=環(huán)境溫度加速項(xiàng)；
KRIPPLE=紋波電流加速項(xiàng)；
KVOLTAGE=電壓加速項(xiàng)；
ü 環(huán)境溫度加速項(xiàng)
Tmax：最高工作溫度
Ta：工作環(huán)境溫度
采用10℃法則評(píng)估：電容器的工作環(huán)境溫度每下降（上升）10 ℃，壽命就上升（下降）1倍。
ü 紋波電流加速項(xiàng)
Tc：電容器芯子溫度
Ta：電容器工作環(huán)境溫度
采用5 ℃法則評(píng)估，電容器流過(guò)紋波電流時(shí)，芯子溫度每升高5 ℃，壽命就下降一半。如果電容器的紋波電流很小，溫升較低，Kripple計(jì)算下來(lái)就會(huì)大于1，這時(shí)Kripple只能取1。
ü 電壓加速項(xiàng)KVOLTAGE
電壓加速項(xiàng)每個(gè)電容器廠家給出的計(jì)算方法差別較大，有些廠家使用以下公式：
Vo：額定電壓 Vw：實(shí)際工作電壓
有些廠家給出列表，這種計(jì)算結(jié)果比較保守，業(yè)界也是多家使用：
電壓降額>90%，K取0.8
90%>電壓降額>80%，K取0.9
80％>電壓降額，K取1.0
請(qǐng)注意：
推算出來(lái)的結(jié)果并不是保證值。
對(duì)于低溫段的壽命推算，請(qǐng)把40℃作為下限。
推定壽命計(jì)算結(jié)果超過(guò)15年的場(chǎng)合，一般按15年為上限。
◆ 大功率UPS內(nèi)常用大功率電容器的期望壽命和推薦更換時(shí)間
根據(jù)上面給出的典型的壽命測(cè)試時(shí)間和在工作條件下的預(yù)期使用壽命考慮，給出了一個(gè)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(cè)試時(shí)間在2000到5000小時(shí)，從而計(jì)算出可靠運(yùn)行時(shí)間在150000小時(shí)。交流電容在加速條件下測(cè)試時(shí)間為2000到3000小時(shí)左右，同時(shí)計(jì)算出在作業(yè)條件下可靠時(shí)間在100000小時(shí)。這兩組中前后數(shù)字的比例在50左右，比例太大了導(dǎo)致根據(jù)短時(shí)間的壽命測(cè)試時(shí)間來(lái)推算50倍長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)期使用壽命會(huì)出現(xiàn)很大誤差，所以最終結(jié)果并不準(zhǔn)確。目前來(lái)看，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)參考，并且定期的更換電容組是最好的保證高可靠性的方法。
國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的客戶也認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，接受并開(kāi)始在器件預(yù)期壽命周期內(nèi)對(duì)電容組進(jìn)行預(yù)防性的整體更換。
2.3 為什么建議在預(yù)期壽命周期內(nèi)做預(yù)防性整體更換
◆ 為什么建議在預(yù)期壽命周期內(nèi)更換
在相關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC60831等）或廠家規(guī)格書里，電容器壽命結(jié)束期的判斷標(biāo)準(zhǔn)很明確，以下4項(xiàng)只要有1項(xiàng)滿足，就可以判斷電容器工作壽命已經(jīng)結(jié)束，電容器已經(jīng)失效：
ü 與初始容量相比，容量變化大于20％；
ü 漏電流超過(guò)手冊(cè)初始規(guī)定值；
ü 損耗超過(guò)手冊(cè)規(guī)定的初始值的200％；
ü 不能有明顯異常，比如鼓起，漏液，炸裂等。
請(qǐng)注意，我們?cè)谶@里并不能單獨(dú)的考慮某類的器件，而是需要考慮整個(gè)UPS系統(tǒng)。UPS系統(tǒng)需要高可靠性的工作，自然不能等到電容器工作壽命結(jié)束了才去維修、更換，否則會(huì)極大增加額外的成本和降低系統(tǒng)的可靠性，并帶來(lái)一定的安全隱患。電容一旦失效，最可能的失效模式為爆裂，會(huì)擴(kuò)大設(shè)備內(nèi)部的故障范圍，引發(fā)更為嚴(yán)重的故障。為保證設(shè)備的持續(xù)正常運(yùn)行和業(yè)務(wù)的持續(xù)在線，我們不可能等到電容失效后或接近失效才去更換。合理的措施是在電容的預(yù)期壽命周期之內(nèi)，在電容還未失效時(shí)就要考慮更換。
預(yù)期使用壽命和可靠壽命盡管很相似，但是它們并不相同。預(yù)期使用壽命是使用壽命的大致估計(jì)，是一個(gè)估計(jì)值，如一年，五年，十年等，這并不表示如果一個(gè)設(shè)計(jì)壽命五年的電容五年后才會(huì)壞，電容在預(yù)期使用壽命內(nèi)也有可能損壞，預(yù)期使用壽命僅僅作為一個(gè)參考?？煽繅勖且粋€(gè)根據(jù)特定的運(yùn)行時(shí)間和工作條件下累計(jì)故障概率統(tǒng)計(jì)出來(lái)的數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)學(xué)被應(yīng)用到對(duì)交流和直流電容故障率的計(jì)算中，因?yàn)橹挥泻苌贁?shù)電容會(huì)抽出來(lái)檢測(cè)，即使是最精確的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，由于測(cè)試數(shù)據(jù)的局限性，計(jì)算結(jié)果也有很大的不確定性。電容可靠性的數(shù)據(jù)雖然可以從廠家獲取，但這個(gè)要達(dá)到高精度預(yù)測(cè)的可能太小了，這就要求業(yè)界對(duì)電容進(jìn)行定期預(yù)防性維護(hù)，包括基于使用年限根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行電容更換，總之利用最正確無(wú)誤的方式確保電容在UPS中運(yùn)行正常只到UPS使用壽命到。
◆ 為什么建議整體更換
同一臺(tái)UPS系統(tǒng)中的電容在前階段有相同的累計(jì)故障率分布，當(dāng)1到2個(gè)電容由于內(nèi)部壓力保護(hù)失效，這一組中的其他電容就會(huì)增加負(fù)荷從而加速老化。一旦第一個(gè)電容故障失效，其他電容故障的概率就很高，另外的情況是電容的失效容易擴(kuò)大故障范圍。為了最大保證可靠性，也避免多次變更來(lái)帶的額外風(fēng)險(xiǎn)，建議在電容的壽命預(yù)期周期內(nèi)按推薦的更換時(shí)間做預(yù)防性的整組更換。
全球所有電容廠家都提供了電容使用壽命評(píng)估，但這些評(píng)估只能作為一個(gè)參考，如果作為一系列電容中第一個(gè)電容什么時(shí)候故障的預(yù)測(cè)，會(huì)缺乏準(zhǔn)確性。根據(jù)電容的失效率，電容存在一個(gè)失效模式，并最終失效，但是電容失效率在不同電容之間存在差異性，并非完全可靠。定期的更換電容是唯一確保較長(zhǎng)平均故障間隔時(shí)間的方式。
◆ 為什么5-6年左右是一個(gè)比較好的經(jīng)濟(jì)更換周期
正常情況下電容使用5-6年不會(huì)失效，隨著持續(xù)使用時(shí)間的增加相應(yīng)失效的概率也會(huì)上升。但如前所述，要精確的預(yù)測(cè)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行時(shí)間非常的困難。并且因?yàn)槌杀疽蛩兀瑳](méi)有UPS會(huì)考慮對(duì)每個(gè)大功率電容增加在線的電氣參數(shù)和溫度的測(cè)點(diǎn)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但是我們可以從系統(tǒng)壽命角度來(lái)考慮，很多行業(yè)內(nèi)UPS整機(jī)建議壽命在10-12年左右，這樣我們?cè)?span>5-6年周期考慮電容的更換會(huì)在風(fēng)險(xiǎn)可控和整體壽命周期的投入上取得一個(gè)較好的平衡。
相關(guān)參考文檔
A. YD/T 1790.4-2009《通信局（站）電源維護(hù)技術(shù)要求 第四部分：不間斷電源（UPS）系統(tǒng)》
B．NIPPON CHEMI-CON 鋁電解電容器產(chǎn)品手冊(cè) ---《Technical Note》
C. Liebert White Paper ---《Capacitors Age and Capacitors Have an End of Life》
