摘? 要： 分析了核電站使用的各類電容的老化問題，將依據生產廠家試驗數據的壽命預計、基于產品規范的壽命預計和現場使用維修數據的壽命預計這三種壽命評估方法應用于核電站電容的壽命預計，對這三種壽命評估法的計算方法進行了論證，結合目前國內實際核電站使用的電容進行了計算、分析和比較，認為依據生產廠家試驗數據的壽命預計方法比較適用。根據電容老化特點以及壽命評估結果，提出了一些緩解老化和延長電容使用壽命的措施。
關鍵詞： 老化；電容；壽命評估
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老化是指在設計范圍內的運行工況下，元件或設備的物理、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，核電設備的老化越來越引起人們的關注。電容作為核電站儀控和低壓電氣設備中的一個重要部件被大量地應用于各個系統中，這類電容的老化輕則導致設備性能降低，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℃)內不需要考慮老化問題。玻璃電容本身的結構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。
由于其本身的材質和結構特點，云母電容是最穩定的電容。云母電容在125℃的預期壽命是50 000小時(5.7年)[2]，根據“10℃”法則，云母電容可以長期在80℃左右的高溫環境下工作，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。根據電解質的差異，電解電容器分為鉭電解電容器和鋁電解電容器。根據形態的不同，分為固態和液態兩類。
固態鉭電解電容器的電解質在高溫下容易結晶，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，固態鉭電解電容是敏感的電容。
固態鋁電解電容器的電解質氧化鋁的高溫穩定性比固態鉭電解電容器的電解質氧化鉭好，不會產生晶化現象。因此，這類電容可以承受很高的電容內部溫度和環境溫度的溫度差。正常使用條件下，固態鋁電解電容器不會老化。
液態的鋁電解電容器，其容量大，主要用在電源、逆變器等功率型器件中。液態鋁電解電容器在工作狀態和儲存狀態下均有老化現象。在工作狀態下的老化現象是電解液揮發。當電解液質量失去40%左右時，電容將失效。在存儲狀態下，鋁電解電容器的氧化層——電解質，逐漸分解到電解液中。因此，儲存時間越短越好。
2 壽命評估
根據以上分析，按照核電站的使用要求，需要對固態鉭電解電容和液態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)根據老化機理和使用條件，運用廠家壽命試驗數據進行壽命預計
根據廠家產品的大量試驗數據得出電容壽命擬合公式，結合采集電容的信息和環境應力條件進行壽命預計。以Rubycon的液態鋁電解電容[5]為例進行說明。
考慮使用溫度及紋波電流的影響，液態鋁電解電容的壽命估算公式可以描述為：
從式（1）可以發現，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℃，液態鋁電解電容的壽命增加為原來的2倍。
根據此計算結果發現，對于在105℃時使用保證壽命為2 000h的液態鋁電解電容，如工作在40℃和正常電壓下，預計使用老化壽命將達到20年。
(2)根據產品可靠性的標準和規范進行壽命評估
使用期間電容的失效率可以通過MIL-HDBK-217F、GJB/Z299B-98電子設備可靠性預計手冊中的應力分析法進行預計和推算，這類標準對包括液態鋁電解電容、固體鉭電解電容在內的電容失效率預計給出了相應的方法。通過對失效率模型的總結，可以預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，并將每個階段的產品失效機理與失效率聯系起來，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，服從指數分布。壽命結束形式為磨損故障，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為質量系數，取0.3；λCV為電容量系數，取1.3；T為使用溫度；S為使用電壓與額定電壓的比值。從失效率模型發現，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。
??? 核電站室內溫度大概在22℃～28℃，電源模塊內電解電容正常使用溫度一般在40℃；其環境分類屬于地面良好，因此其環境參數選用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現，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構差別，因此僅作為采購中可靠性鑒定電容失效率的參考數據。
(3)根據使用和維修的電容數據進行壽命分析
根據統計同種類電容的使用壽命，運用概率統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)用于某系統調節器的電源的所有Merlin-Gerin(現在的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)用于某充電器內的電解電容器：10年。
根據核電站現場電解電容使用信息統計發現，大多數平均使用壽命在10年以上。在8～10年預防性維修更換周期內，很少發生使用老化故障問題。
在上述三種壽命評估方法中，根據廠家試驗數據的壽命預計計算結果與現場使用維修數據的壽命預計比較接近，并且為預防性維修預留了一定的余量，推薦使用此方法。部分使用電容缺乏廠家試驗數據的情況，推薦采用現場使用維修經驗數據進行預計。若使用電容既無廠家試驗數據也無現場使用維修數據，建議參考同廠家同材質其他型號的電容壽命數據。由于基于電容產品規范的壽命預計結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，質量等級要高。在設計的使用年限內，使用可靠度要達到0.99，采購電容的質量等級至少應為七級(工作失效率為1×10-7/h)。
3 老化緩解和延壽措施
根據對國內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。固態鉭電解電容、液態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)定期監測電解電容的漏電流、電容值、ESR等參數的變化，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，在使用前應進行賦能處理，并進行參數測試，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，認為需要考慮固態鉭電解電容和液態鋁電解電容的使用老化問題；根據三種核電站電容壽命評估方法的比較、論證，依據生產廠家試驗數據的壽命預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核電廠安全系統電氣設備質量鑒定[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.