核电安全级DCS产品电容器的选择分析

李石　徐坤　李铁柱

摘要：该文对核电站安全级DCS产品的电容器种类进行了介绍，根据其功能特性以及在实际使用中的特点和问题进行了分析，并给了在产品研发期间电容器的最优选择方案。

关键词：安全级；DCS；电容器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）06-0200-01

核电厂数字化仪控设备作为当今核电控制系統的主流解决方案，广泛的应用与国内外的核电厂中。数字化控制设备的研发也是当今核电发展的热门方向。安全级数字化设备用于实现核电站保护系统的功能，是保证安全发电，事故后防护的坚强屏障。对于安全级数字化设备而言，在研发阶段的器件选型有着非常重要的意义。本文主要以电容器为例，总结了安全级数字化设备元器件选型的一般流程及解决方案。

在安全级DCS产品中，就以元器件而言，电容器的故障率是最高的，这也与它本身的特性有关。以电源电路为例，有超过70%以上的故障与电容有关，当它出现在高功率的电路中，这一现象就更加明显。数字化板卡在研发阶段会产生基于功能的一般需求。电容器作为一种储能和滤波元件，用途十分广泛，门类繁多。大致可以分为：薄膜电容，陶瓷电容，钽电容，铝电解电容，超级电容，氧化铌电容等等。下面就浅析几种选择电容器的方法。

1根据使用频率的高低选择电容器种类

首先需要判断电路的工作频率，当它达到MHz的级别，这就属于高频电路，在安全级数字化设备中，主要是逻辑处理卡件和通讯卡件。此时，建议选择叠层陶瓷电容器。在这种电路中，电容需要完成的功能大致虽都是滤波或者储能充放电，但是，在工作频率一定时，需要把电路工作频率与不同种类的电容器的频率特性做比较来判断是否匹配。电容由于自身的种类不一致，都具有自适应的使用频率范围。所有种类的电容，当工作或测试频率增加时，自身的电容值都会随着降低，产生的损耗也会随着增加。当工作或测试的频率在中频率段以下，并且有在不同温度下的参数值一致性要求，此时可以选择固体钽电容。当遇到特性不同而难以选择时，需要根据要求的主要特性来选择电容器的种类。

2根据环境温度变化要求选择电容器种类

在上节提到的，温度特性较好的电容器是固体钽电容器，在-55℃-+125℃度的条件下，一些高压固体钽电容器温的变化率甚至可以达到-3%-+4%之内。对于安全级核电数字化设备而言，钽电容主要应用在通讯，逻辑处理及电源电路中完成滤波的子电路中。由于安全级核电产品的特殊性，这一类的电路中尽量选择固态钽电容。

3根据交流纹波大小来选择电容器

电源卡件在安全级系统中有着十分重要的作用。在这种卡件研发选型的过程中，主要是在滤波电路中，此时，抗发热冲击特性是选择电容器的首要因素，而且是在一定频率和一定幅值的交流电压和交流电流的条件下。并且，抗浪涌特性也是需要考虑的主要指标之一，这是因为当开关电路切换的瞬间会产生巨大的直流电压和电流。除了以上的两点，由于交流电压自身的特性，还必须考虑不同电容器具有的耐纹波能力。通过大量的试验经验来看。电容器具有较好耐纹波能力的几种电容如下：

卷饶式涤纶电容器，氧化铌电容器，片式多层陶瓷电容器。在选型采购时，这三种应作为首先考虑的方案。

4全面特性评价选择电容器种类

安全级产品的电路中，电路的传输特性和干扰特性不是以上几点能够总结的，这就需要通过经常使用的全面特性评价来选择合适的电容器。通常的做法是，将电路中电容器使用的条件列出，例如最大耐压，环境阈值，纹波特性等，然后选出几种电容器，根据其特性逐一的讨论列表。即便如此，还是常常无法选出合适的电容或无法平衡不用种类特性的取舍。此时，可以选择电容器的厂家进行我们需要完成的试验，通过实验数据来选择最优的种类。由于核电产品具有一定的特殊性，在选型前，不可避免的需要做一些试验来验证，也可以预防后期大量的鉴定试验时产生的较高故障率。

通过以上几点，可以在研发阶段更加快速并且准确的完成电容器的选型工作，这一点在核电仪表系统中尤为重要。在工期的紧迫和产品的高质量要求下，合理的电容选型能够规避一些不可控的风险以及保证质量的检验。