摘? 要： 分析了核電站使用的各類電容的老化問題，將依據(jù)生產(chǎn)廠家試驗數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計、基于產(chǎn)品規(guī)范的壽命預(yù)計和現(xiàn)場使用維修數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計這三種壽命評估方法應(yīng)用于核電站電容的壽命預(yù)計，對這三種壽命評估法的計算方法進行了論證，結(jié)合目前國內(nèi)實際核電站使用的電容進行了計算、分析和比較，認為依據(jù)生產(chǎn)廠家試驗數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計方法比較適用。根據(jù)電容老化特點以及壽命評估結(jié)果，提出了一些緩解老化和延長電容使用壽命的措施。
關(guān)鍵詞： 老化；電容；壽命評估
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老化是指在設(shè)計范圍內(nèi)的運行工況下，元件或設(shè)備的物理、化學或電氣特性隨時間的變化，這種變化可能導致其重要功能特性劣化，又稱自然老化[1]。
隨著核電站運行時間的增長，核電設(shè)備的老化越來越引起人們的關(guān)注。電容作為核電站儀控和低壓電氣設(shè)備中的一個重要部件被大量地應(yīng)用于各個系統(tǒng)中，這類電容的老化輕則導致設(shè)備性能降低，影響核電站的可靠運行，重則引起停機停堆，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會效益的影響。因此，對使用的電容進行壽命評估，在電容老化之前進行預(yù)防性維修更換，避免停機停堆的危險，成為一個迫切需要解決的問題。
1 需要進行老化評估的電容類型
目前國內(nèi)核電站所用電容類型主要分為陶瓷電容、云母電容、有機薄膜電容、電解電容四類。
研究與實驗[2-3]結(jié)果表明陶瓷電容的使用壽命很長，在它的工作溫度范圍(-55℃～+125℃)內(nèi)不需要考慮老化問題。玻璃電容本身的結(jié)構(gòu)和使用的材料都是對老化免疫的，失效形式與陶瓷電容相似。
由于其本身的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點，云母電容是最穩(wěn)定的電容。云母電容在125℃的預(yù)期壽命是50 000小時(5.7年)[2]，根據(jù)“10℃”法則，云母電容可以長期在80℃左右的高溫環(huán)境下工作，其壽命和核電廠壽命相當。因此同樣不必考慮云母電容的老化。
美國電力研究院(EPRI)曾對用聚碳酸酯、聚乙烯聚酯、紙、塑料和金屬化塑料(PC和PET)、金屬化聚碳酸酯、金屬化紙和聚乙烯聚酯等做成薄膜的有機膜電容器進行了測試[4]，通過了等效老化壽命為50年的加速壽命試驗，表明該類電容在核電站壽期內(nèi)不需要考慮其老化問題。
從抗老化的角度來說電解電容器是最差的，因此使用壽命也最短。根據(jù)電解質(zhì)的差異，電解電容器分為鉭電解電容器和鋁電解電容器。根據(jù)形態(tài)的不同，分為固態(tài)和液態(tài)兩類。
固態(tài)鉭電解電容器的電解質(zhì)在高溫下容易結(jié)晶，導致電容的正負極短路。在瞬時工作電流和工作電壓比較大的電路中，固態(tài)鉭電解電容是敏感的電容。
固態(tài)鋁電解電容器的電解質(zhì)氧化鋁的高溫穩(wěn)定性比固態(tài)鉭電解電容器的電解質(zhì)氧化鉭好，不會產(chǎn)生晶化現(xiàn)象。因此，這類電容可以承受很高的電容內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度的溫度差。正常使用條件下，固態(tài)鋁電解電容器不會老化。
液態(tài)的鋁電解電容器，其容量大，主要用在電源、逆變器等功率型器件中。液態(tài)鋁電解電容器在工作狀態(tài)和儲存狀態(tài)下均有老化現(xiàn)象。在工作狀態(tài)下的老化現(xiàn)象是電解液揮發(fā)。當電解液質(zhì)量失去40%左右時，電容將失效。在存儲狀態(tài)下，鋁電解電容器的氧化層——電解質(zhì)，逐漸分解到電解液中。因此，儲存時間越短越好。
2 壽命評估
根據(jù)以上分析，按照核電站的使用要求，需要對固態(tài)鉭電解電容和液態(tài)鋁電解電容進行壽命評估。
電容的壽命評估主要采用以下三種方法：
(1)根據(jù)老化機理和使用條件，運用廠家壽命試驗數(shù)據(jù)進行壽命預(yù)計
根據(jù)廠家產(chǎn)品的大量試驗數(shù)據(jù)得出電容壽命擬合公式，結(jié)合采集電容的信息和環(huán)境應(yīng)力條件進行壽命預(yù)計。以Rubycon的液態(tài)鋁電解電容[5]為例進行說明。
考慮使用溫度及紋波電流的影響，液態(tài)鋁電解電容的壽命估算公式可以描述為：
從式（1）可以發(fā)現(xiàn)，溫度與壽命之間服從“10℃二倍法則”，即其他條件不變的情況下，使用溫度每降低10℃或額定溫度每升高10℃，液態(tài)鋁電解電容的壽命增加為原來的2倍。
根據(jù)此計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于在105℃時使用保證壽命為2 000h的液態(tài)鋁電解電容，如工作在40℃和正常電壓下，預(yù)計使用老化壽命將達到20年。
(2)根據(jù)產(chǎn)品可靠性的標準和規(guī)范進行壽命評估
使用期間電容的失效率可以通過MIL-HDBK-217F、GJB/Z299B-98電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊中的應(yīng)力分析法進行預(yù)計和推算，這類標準對包括液態(tài)鋁電解電容、固體鉭電解電容在內(nèi)的電容失效率預(yù)計給出了相應(yīng)的方法。通過對失效率模型的總結(jié)，可以預(yù)計電容在使用期間的失效率和可靠性壽命。下面以鋁電解電容為例進行說明。
失效率模型將失效率曲線劃分為早期失效、隨機失效和磨損失效三個階段，并將每個階段的產(chǎn)品失效機理與失效率聯(lián)系起來，常用如圖1所示的浴盆曲線來描述。
電容器的使用老化壽命為偶然故障階段，此時失效率基本維持在一個恒定的值，服從指數(shù)分布。壽命結(jié)束形式為磨損故障，此時失效率急劇增加。隨著時間的推移，電容量減少，壽命通常用靜電容量相對于起始值的變化率來判定，一般下降超過20%時即告壽命結(jié)束。
鋁電解電容工作失效率模型[6]為：
為基本失效率，單位為10-6/h；πQ為質(zhì)量系數(shù)，取0.3；λCV為電容量系數(shù)，取1.3；T為使用溫度；S為使用電壓與額定電壓的比值。從失效率模型發(fā)現(xiàn)，當使用電壓增大或使用溫度升高，基本失效率變大。
當鋁電解電容的最大額定溫度為85℃時，NT=358；最大額定溫度為105℃時，NT=378；最大額定溫度為125℃時，NT=398。
??? 核電站室內(nèi)溫度大概在22℃～28℃，電源模塊內(nèi)電解電容正常使用溫度一般在40℃；其環(huán)境分類屬于地面良好，因此其環(huán)境參數(shù)選用GB；當使用電壓為額定電壓的0.8倍時，計算使用溫度為40℃時的工作失效率；當電容老化服從指數(shù)分布時，其可靠壽命如式(3)：
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式中，R為可靠度，λ為工作失效率。
根據(jù)式(2)、式(3)得到鋁電解電容器在不用額定溫度下的可靠壽命如表1所示。
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與實際使用情況比較發(fā)現(xiàn)，當可靠度為0.99時，得到的可靠壽命與實際情況較為吻合；但當可靠度為0.95時，得到的可靠壽命與實際使用情況差別較大。由于該失效率模型反映了國外不同廠家使用電容的整體水平，未考慮不同廠家電容的工藝結(jié)構(gòu)差別，因此僅作為采購中可靠性鑒定電容失效率的參考數(shù)據(jù)。
(3)根據(jù)使用和維修的電容數(shù)據(jù)進行壽命分析
根據(jù)統(tǒng)計同種類電容的使用壽命，運用概率統(tǒng)計的方法評估該類電容的使用維修更換狀況，從而分析電容的壽命。針對國內(nèi)核電站正在使用的典型電容進行了分析，例如：(1)用于某系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的電源的所有Merlin-Gerin(現(xiàn)在的DSS)公司電解電容器：20年；(2)用于某電源上的所有CEGELEC公司電解電容器：13年；(3)用于某電源的所有Bailey-Sereg公司電解電容器：8年；(4)用于某系列電源的所有Bailey-Sereg公司電解電容器：30年；(5)用于某電路板卡上的電解電容器：15年；(6)用于某充電器內(nèi)的電解電容器：10年。
根據(jù)核電站現(xiàn)場電解電容使用信息統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)平均使用壽命在10年以上。在8～10年預(yù)防性維修更換周期內(nèi)，很少發(fā)生使用老化故障問題。
在上述三種壽命評估方法中，根據(jù)廠家試驗數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計計算結(jié)果與現(xiàn)場使用維修數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計比較接近，并且為預(yù)防性維修預(yù)留了一定的余量，推薦使用此方法。部分使用電容缺乏廠家試驗數(shù)據(jù)的情況，推薦采用現(xiàn)場使用維修經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行預(yù)計。若使用電容既無廠家試驗數(shù)據(jù)也無現(xiàn)場使用維修數(shù)據(jù)，建議參考同廠家同材質(zhì)其他型號的電容壽命數(shù)據(jù)。由于基于電容產(chǎn)品規(guī)范的壽命預(yù)計結(jié)果與實際情況有較大的差別，不推薦采用此方法進行壽命評估，僅作為采購電容的質(zhì)量等級參考。核電站電容的使用老化壽命一般在10年以上，因此要求其失效率要低，質(zhì)量等級要高。在設(shè)計的使用年限內(nèi)，使用可靠度要達到0.99，采購電容的質(zhì)量等級至少應(yīng)為七級(工作失效率為1×10-7/h)。
3 老化緩解和延壽措施
根據(jù)對國內(nèi)核電站電容壽命評估的研究，得到如下老化緩解和延壽措施：
(1)使用電壓和環(huán)境溫度是影響電解電容使用老化壽命的主要因素，溫度每降低10℃，電解電容的壽命增加一倍；電壓升高，電容的失效率上升。因此要對電容進行降額使用，控制環(huán)境溫度，可利用紅外測溫儀定期測試電解電容工作溫度，必要時利用風扇加快散熱。使用溫度無法降低或存在操作困難的情況下，可考慮將額定溫度為85℃的電解電容更換為額定溫度為105℃或125℃的高可靠、長壽命電容。使用電壓過大容易引起電容擊穿，因此可考慮適當提高新采購電容的額定電壓。固態(tài)鉭電解電容、液態(tài)鋁電解電容的工作電壓分別不超過額定電壓的0.5倍、0.7倍為宜。
(2)定期監(jiān)測電解電容的漏電流、電容值、ESR等參數(shù)的變化，分析其老化趨勢。
(3)電解電容器在倉庫中儲存或者擱置備用，應(yīng)進行靜老練，即將其正負極短路，儲存時間以不超過2年為宜；若超過2年，在使用前應(yīng)進行賦能處理，并進行參數(shù)測試，合格方能使用。
本文分析了核電站使用的各類電容的老化問題，認為需要考慮固態(tài)鉭電解電容和液態(tài)鋁電解電容的使用老化問題；根據(jù)三種核電站電容壽命評估方法的比較、論證，依據(jù)生產(chǎn)廠家試驗數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計方法評估電解電容的使用老化是有效的，與實際使用情況較為接近；提高采購質(zhì)量等級、降低使用溫度和電壓、提高額定溫度和電壓、減少儲存時間等措施，均能達到緩解電容老化和延長使用壽命的目的。
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參考文獻
[1] GB/T 12727-2002核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定[S].2002.
[2] MIL-STD-198E.Military standard，capacitors selection and use of[S]，1984.
[3] GLEASON J F.Correlation between aging and seismic qualification for nuclear plant electrical components.EPRI，1983.
[4] GLEASON J F.Seismic ruggedness of aged electrical components.EPRI，1987.
[5] Rubycon corporation Engineering Division.Lifetime Calculation Formula of Aluminum Electrolytic Capacitors.2001，9.
[6] MIL-HDBK-217.Reliability prediction of electronic equipment[S].1995.