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(yàn)數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計(jì)、基于產(chǎn)品規(guī)范的壽命預(yù)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用維修數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計(jì)這三種壽命評(píng)估方法應(yīng)用于核電站電容的壽命預(yù)計(jì)，對(duì)這三種壽命評(píng)估法的計(jì)算方法進(jìn)行了論證，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)實(shí)際核電站使用的電容進(jìn)行了計(jì)算、分析和比較，認(rèn)為依據(jù)生產(chǎn)廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計(jì)方法比較適用。根據(jù)電容老化特點(diǎn)以及壽命評(píng)估結(jié)果，提出了一些緩解老化和延長(zhǎng)電容使用壽命的措施。
關(guān)鍵詞： 老化；電容；壽命評(píng)估
?
老化是指在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的運(yùn)行工況下，元件或設(shè)備的物理、化學(xué)或電氣特性隨時(shí)間的變化，這種變化可能導(dǎo)致其重要功能特性劣化，又稱自然老化[1]。
隨著核電站運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，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(gè)重要部件被大量地應(yīng)用于各個(gè)系統(tǒng)中，這類電容的老化輕則導(dǎo)致設(shè)備性能降低，影響核電站的可靠運(yùn)行，重則引起停機(jī)停堆，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)效益的影響。因此，對(duì)使用的電容進(jìn)行壽命評(píng)估，在電容老化之前進(jìn)行預(yù)防性維修更換，避免停機(jī)停堆的危險(xiǎn)，成為一個(gè)迫切需要解決的問題。
1 需要進(jìn)行老化評(píng)估的電容類型
目前國(guó)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(jī)薄膜電容、電解電容四類。
研究與實(shí)驗(yàn)[2-3]結(jié)果表明陶瓷電容的使用壽命很長(zhǎng)，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(duì)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(diǎn)，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(shí)(5.7年)[2]，根據(jù)“10℃”法則，云母電容可以長(zhǎng)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(dāng)。因此同樣不必考慮云母電容的老化。
美國(guó)電力研究院(EPRI)曾對(duì)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(jī)膜電容器進(jìn)行了測(cè)試[4]，通過了等效老化壽命為50年的加速壽命試驗(yàn)，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(dǎo)致電容的正負(fù)極短路。在瞬時(shí)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(huì)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(huì)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(chǔ)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(dāng)電解液質(zhì)量失去40%左右時(shí)，電容將失效。在存儲(chǔ)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(chǔ)存時(shí)間越短越好。
2 壽命評(píng)估
根據(jù)以上分析，按照核電站的使用要求，需要對(duì)固態(tài)鉭電解電容和液態(tài)鋁電解電容進(jìn)行壽命評(píng)估。
電容的壽命評(píng)估主要采用以下三種方法：
(1)根據(jù)老化機(jī)理和使用條件，運(yùn)用廠家壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壽命預(yù)計(jì)
根據(jù)廠家產(chǎn)品的大量試驗(yàn)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(jìn)行壽命預(yù)計(jì)。以Rubycon的液態(tài)鋁電解電容[5]為例進(jìn)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(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于在105℃時(shí)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(jì)使用老化壽命將達(dá)到20年。
(2)根據(jù)產(chǎn)品可靠性的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行壽命評(píng)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(jì)手冊(cè)中的應(yīng)力分析法進(jìn)行預(yù)計(jì)和推算，這類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jì)給出了相應(yīng)的方法。通過對(duì)失效率模型的總結(jié)，可以預(yù)計(jì)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(jìn)行說明。
失效率模型將失效率曲線劃分為早期失效、隨機(jī)失效和磨損失效三個(gè)階段，并將每個(gè)階段的產(chǎn)品失效機(jī)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(shí)失效率基本維持在一個(gè)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(shí)失效率急劇增加。隨著時(shí)間的推移，電容量減少，壽命通常用靜電容量相對(duì)于起始值的變化率來判定，一般下降超過20%時(shí)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(dāng)使用電壓增大或使用溫度升高，基本失效率變大。
當(dāng)鋁電解電容的最大額定溫度為85℃時(shí)，NT=358；最大額定溫度為105℃時(shí)，NT=378；最大額定溫度為125℃時(shí)，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(dāng)使用電壓為額定電壓的0.8倍時(shí)，計(jì)算使用溫度為40℃時(shí)的工作失效率；當(dāng)電容老化服從指數(shù)分布時(shí)，其可靠壽命如式(3)：
??? 
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。
?
與實(shí)際使用情況比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)可靠度為0.99時(shí)，得到的可靠壽命與實(shí)際情況較為吻合；但當(dāng)可靠度為0.95時(shí)，得到的可靠壽命與實(shí)際使用情況差別較大。由于該失效率模型反映了國(guó)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(gòu)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(jìn)行壽命分析
根據(jù)統(tǒng)計(jì)同種類電容的使用壽命，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的方法評(píng)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(duì)國(guó)內(nèi)核電站正在使用的典型電容進(jìn)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(chǎng)電解電容使用信息統(tǒng)計(jì)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(píng)估方法中，根據(jù)廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計(jì)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)使用維修數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)的情況，推薦采用現(xiàn)場(chǎng)使用維修經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)。若使用電容既無廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)也無現(xiàn)場(chǎng)使用維修數(shù)據(jù)，建議參考同廠家同材質(zhì)其他型號(hào)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(jì)結(jié)果與實(shí)際情況有較大的差別，不推薦采用此方法進(jìn)行壽命評(píng)估，僅作為采購(gòu)電容的質(zhì)量等級(jí)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(jí)要高。在設(shè)計(jì)的使用年限內(nèi)，使用可靠度要達(dá)到0.99，采購(gòu)電容的質(zhì)量等級(jí)至少應(yīng)為七級(jí)(工作失效率為1×10-7/h)。
3 老化緩解和延壽措施
根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)核電站電容壽命評(píng)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(duì)電容進(jìn)行降額使用，控制環(huán)境溫度，可利用紅外測(cè)溫儀定期測(cè)試電解電容工作溫度，必要時(shí)利用風(fēng)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(zhǎng)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(dāng)提高新采購(gòu)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(cè)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(shì)。
(3)電解電容器在倉(cāng)庫(kù)中儲(chǔ)存或者擱置備用，應(yīng)進(jìn)行靜老練，即將其正負(fù)極短路，儲(chǔ)存時(shí)間以不超過2年為宜；若超過2年，在使用前應(yīng)進(jìn)行賦能處理，并進(jìn)行參數(shù)測(cè)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(rèn)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(píng)估方法的比較、論證，依據(jù)生產(chǎn)廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)的壽命預(yù)計(jì)方法評(píng)估電解電容的使用老化是有效的，與實(shí)際使用情況較為接近；提高采購(gòu)質(zhì)量等級(jí)、降低使用溫度和電壓、提高額定溫度和電壓、減少儲(chǔ)存時(shí)間等措施，均能達(dá)到緩解電容老化和延長(zhǎng)使用壽命的目的。
?
參考文獻(xiàn)
[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.