摘 要：分析了核电站使用的各类电容的老化问题，将依据生产厂家试验数据的寿命预计、基于产品规范的寿命预计和现场使用维修数据的寿命预计这三种寿命评估方法应用于核电站电容的寿命预计，对这三种寿命评估法的计算方法进行了论证，结合目前国内实际核电站使用的电容进行了计算、分析和比较，认为依据生产厂家试验数据的寿命预计方法比较适用。根据电容老化特点以及寿命评估结果，提出了一些缓解老化和延长电容使用寿命的措施。
关键词：老化；电容；寿命评估

　　老化是指在设计范围内的运行工况下，元件或设备的物理、化学或电气特性随时间的变化，这种变化可能导致其重要功能特性劣化，又称自然老化^[1]。
　　随着核电站运行时间的增长，核电设备的老化越来越引起人们的关注。电容作为核电站仪控和低压电气设备中的一个重要部件被大量地应用于各个系统中，这类电容的老化轻则导致设备性能降低，影响核电站的可靠运行，重则引起停机停堆，造成巨大的经济损失和社会效益的影响。因此，对使用的电容进行寿命评估，在电容老化之前进行预防性维修更换，避免停机停堆的危险，成为一个迫切需要解决的问题。
1 需要进行老化评估的电容类型
　　目前国内核电站所用电容类型主要分为陶瓷电容、云母电容、有机薄膜电容、电解电容四类。
　　研究与实验[2-3]结果表明陶瓷电容的使用寿命很长，在它的工作温度范围(-55℃～+125℃)内不需要考虑老化问题。玻璃电容本身的结构和使用的材料都是对老化免疫的，失效形式与陶瓷电容相似。
　　由于其本身的材质和结构特点，云母电容是最稳定的电容。云母电容在125℃的预期寿命是50 000小时(5.7年)^[2]，根据“10℃”法则，云母电容可以长期在80℃左右的高温环境下工作，其寿命和核电厂寿命相当。因此同样不必考虑云母电容的老化。
　　美国电力研究院(EPRI)曾对用聚碳酸酯、聚乙烯聚酯、纸、塑料和金属化塑料(PC和PET)、金属化聚碳酸酯、金属化纸和聚乙烯聚酯等做成薄膜的有机膜电容器进行了测试^[4]，通过了等效老化寿命为50年的加速寿命试验，表明该类电容在核电站寿期内不需要考虑其老化问题。
　　从抗老化的角度来说电解电容器是最差的，因此使用寿命也最短。根据电解质的差异，电解电容器分为钽电解电容器和铝电解电容器。根据形态的不同，分为固态和液态两类。
　　固态钽电解电容器的电解质在高温下容易结晶，导致电容的正负极短路。在瞬时工作电流和工作电压比较大的电路中，固态钽电解电容是敏感的电容。
　　固态铝电解电容器的电解质氧化铝的高温稳定性比固态钽电解电容器的电解质氧化钽好，不会产生晶化现象。因此，这类电容可以承受很高的电容内部温度和环境温度的温度差。正常使用条件下，固态铝电解电容器不会老化。
　　液态的铝电解电容器，其容量大，主要用在电源、逆变器等功率型器件中。液态铝电解电容器在工作状态和储存状态下均有老化现象。在工作状态下的老化现象是电解液挥发。当电解液质量失去40%左右时，电容将失效。在存储状态下，铝电解电容器的氧化层——电解质，逐渐分解到电解液中。因此，储存时间越短越好。
2 寿命评估
　　根据以上分析，按照核电站的使用要求，需要对固态钽电解电容和液态铝电解电容进行寿命评估。
　　电容的寿命评估主要采用以下三种方法：
　　(1)根据老化机理和使用条件，运用厂家寿命试验数据进行寿命预计
　　根据厂家产品的大量试验数据得出电容寿命拟合公式，结合采集电容的信息和环境应力条件进行寿命预计。以Rubycon的液态铝电解电容^[5]为例进行说明。
　　考虑使用温度及纹波电流的影响，液态铝电解电容的寿命估算公式可以描述为：

　　从式（1）可以发现，温度与寿命之间服从“10℃二倍法则”，即其他条件不变的情况下，使用温度每降低10℃或额定温度每升高10℃，液态铝电解电容的寿命增加为原来的2倍。
　　根据此计算结果发现，对于在105℃时使用保证寿命为2 000h的液态铝电解电容，如工作在40℃和正常电压下，预计使用老化寿命将达到20年。
　　(2)根据产品可靠性的标准和规范进行寿命评估
　　使用期间电容的失效率可以通过MIL-HDBK-217F、GJB/Z299B-98电子设备可靠性预计手册中的应力分析法进行预计和推算，这类标准对包括液态铝电解电容、固体钽电解电容在内的电容失效率预计给出了相应的方法。通过对失效率模型的总结，可以预计电容在使用期间的失效率和可靠性寿命。下面以铝电解电容为例进行说明。
　　失效率模型将失效率曲线划分为早期失效、随机失效和磨损失效三个阶段，并将每个阶段的产品失效机理与失效率联系起来，常用如图1所示的浴盆曲线来描述。

　　电容器的使用老化寿命为偶然故障阶段，此时失效率基本维持在一个恒定的值，服从指数分布。寿命结束形式为磨损故障，此时失效率急剧增加。随着时间的推移，电容量减少，寿命通常用静电容量相对于起始值的变化率来判定，一般下降超过20%时即告寿命结束。
　　铝电解电容工作失效率模型^[6]为：

为基本失效率，单位为10^-6/h；πQ为质量系数，取0.3；λ_CV为电容量系数，取1.3；T为使用温度；S为使用电压与额定电压的比值。从失效率模型发现，当使用电压增大或使用温度升高，基本失效率变大。
　　当铝电解电容的最大额定温度为85℃时，N_T=358；最大额定温度为105℃时，N_T=378；最大额定温度为125℃时，N_T=398。
核电站室内温度大概在22℃～28℃，电源模块内电解电容正常使用温度一般在40℃；其环境分类属于地面良好，因此其环境参数选用GB；当使用电压为额定电压的0.8倍时，计算使用温度为40℃时的工作失效率；当电容老化服从指数分布时，其可靠寿命如式(3)：

　　式中，R为可靠度，λ为工作失效率。
　　根据式(2)、式(3)得到铝电解电容器在不用额定温度下的可靠寿命如表1所示。

　　与实际使用情况比较发现，当可靠度为0.99时，得到的可靠寿命与实际情况较为吻合；但当可靠度为0.95时，得到的可靠寿命与实际使用情况差别较大。由于该失效率模型反映了国外不同厂家使用电容的整体水平，未考虑不同厂家电容的工艺结构差别，因此仅作为采购中可靠性鉴定电容失效率的参考数据。
　　(3)根据使用和维修的电容数据进行寿命分析
　　根据统计同种类电容的使用寿命，运用概率统计的方法评估该类电容的使用维修更换状况，从而分析电容的寿命。针对国内核电站正在使用的典型电容进行了分析，例如：(1)用于某系统调节器的电源的所有Merlin-Gerin(现在的DSS)公司电解电容器：20年；(2)用于某电源上的所有CEGELEC公司电解电容器：13年；(3)用于某电源的所有Bailey-Sereg公司电解电容器：8年；(4)用于某系列电源的所有Bailey-Sereg公司电解电容器：30年；(5)用于某电路板卡上的电解电容器：15年；(6)用于某充电器内的电解电容器：10年。
　　根据核电站现场电解电容使用信息统计发现，大多数平均使用寿命在10年以上。在8～10年预防性维修更换周期内，很少发生使用老化故障问题。
　　在上述三种寿命评估方法中，根据厂家试验数据的寿命预计计算结果与现场使用维修数据的寿命预计比较接近，并且为预防性维修预留了一定的余量，推荐使用此方法。部分使用电容缺乏厂家试验数据的情况，推荐采用现场使用维修经验数据进行预计。若使用电容既无厂家试验数据也无现场使用维修数据，建议参考同厂家同材质其他型号的电容寿命数据。由于基于电容产品规范的寿命预计结果与实际情况有较大的差别，不推荐采用此方法进行寿命评估，仅作为采购电容的质量等级参考。核电站电容的使用老化寿命一般在10年以上，因此要求其失效率要低，质量等级要高。在设计的使用年限内，使用可靠度要达到0.99，采购电容的质量等级至少应为七级(工作失效率为1×10^-7/h)。
3 老化缓解和延寿措施
　　根据对国内核电站电容寿命评估的研究，得到如下老化缓解和延寿措施：
　　(1)使用电压和环境温度是影响电解电容使用老化寿命的主要因素，温度每降低10℃，电解电容的寿命增加一倍；电压升高，电容的失效率上升。因此要对电容进行降额使用，控制环境温度，可利用红外测温仪定期测试电解电容工作温度，必要时利用风扇加快散热。使用温度无法降低或存在操作困难的情况下，可考虑将额定温度为85℃的电解电容更换为额定温度为105℃或125℃的高可靠、长寿命电容。使用电压过大容易引起电容击穿，因此可考虑适当提高新采购电容的额定电压。固态钽电解电容、液态铝电解电容的工作电压分别不超过额定电压的0.5倍、0.7倍为宜。
　　(2)定期监测电解电容的漏电流、电容值、ESR等参数的变化，分析其老化趋势。
　　(3)电解电容器在仓库中储存或者搁置备用，应进行静老练，即将其正负极短路，储存时间以不超过2年为宜；若超过2年，在使用前应进行赋能处理，并进行参数测试，合格方能使用。
　　本文分析了核电站使用的各类电容的老化问题，认为需要考虑固态钽电解电容和液态铝电解电容的使用老化问题；根据三种核电站电容寿命评估方法的比较、论证，依据生产厂家试验数据的寿命预计方法评估电解电容的使用老化是有效的，与实际使用情况较为接近；提高采购质量等级、降低使用温度和电压、提高额定温度和电压、减少储存时间等措施，均能达到缓解电容老化和延长使用寿命的目的。

参考文献
[1] GB/T 12727-2002核电厂安全系统电气设备质量鉴定[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.