铝电解电容器退化分析与故障预诊断

2021-04-06范庆庆

商品与质量 2021年5期

范庆庆

珠海格力新元电子有限公司广东珠海 519000

铝电解电容器有着高耐压和大容量特点，凭借其大功率优势，在诸多场合广泛应用，在电力系统中铝电解电容器占据重要地位，其性能高低，很大程度上影响到电力系统的运行可靠性。但是，电力系统长期运行中，铝电解电容器故障几率最高，基于现代化技术手段对铝电解电容器预诊断，及时发现和解决铝电解电容器故障，及时改进装置故障，确保铝电解电容器安全稳定运行。文章主要从铝电解电容器的组成和结构角度着手分析，结合铝电解电容器工作原理来退化分析，并建模分析，探究故障预诊断在电力系统铝电解电容器故障诊断中应用效果，以期为后续相关研究提供支持和参考。

1 铝电解电容器的结构和模型

铝电解电容器内部构成复杂，包括保护结构、电容器芯子、引出线多个部分构成。电容器芯子属于功能部分，进一步细化包含电解液、阳极金属箔和阴极金属箔。阳极箔上化成反应后会产生金属氧化膜，耐压能力较强。故此，铝电解电容器的耐压等级较高。而一般铝电解电容器，很少会对阴极箔化成处理，所以阳极金属氧化膜为介质构成电容量。金属的氧化膜有着单向导流和极性特点，如果选择反接方式，大电流通过金属氧化膜致使内部发热，电容器无法正常运行使用。

一般情况下，由丙三醇、乙二醇和氨水等物质构成的电解液，可以起到阴极的功能，化学反应来修补阳极氧化膜，并且由于电解液中有衬垫纸吸附电解液，用于规避短路情况出现[1]。另外，电容器阴极箔并未配备介质氧化膜，所以其功能主要是用于电解液和外部引出线连接的功能。通过金属箔留出诸多小孔，有助于进一步扩大铝电解电容器容量，满足铝电解电容器稳定运行要求[2]。

2 铝电解电容器退化分析和预测寿命

2.1 铝电解电容器退化分析

对于铝电解电容器的退化分析，可以从结构角度来分析探讨，铝电解电容器运行性能高低很大程度上受到金属氧化膜质量所影响，其影响因素有厂商工艺水平，以及电解液对氧化膜质量的不良影响，是因为电解液会促进介质的性质变化，化学反应可以修复介质氧化膜，但也会导致电容器性能退化。

如，水合反应会加剧介质劣化。

铝电解电容器运行期间会出现电化反应，可以修补氧化膜，无法为反应形成合适的工艺条件，可能导致形成的氧化膜质量不符合要求，降低电容器耐压性能[3]。

2.2 寿命预测

铝电解电容器性能高低，很大程度上取决于内部化学反应环境，温度则是影响化学反应速度的一个主要条件，公式如下：

R 是反应速度，aE 是反应活化能，A 是非温度相关常数，k 是波尔兹曼。

如果是不同的温度条件，计算得到相应的反应速度之比，可以确定温度工作寿命模型：

公式中，Lr是指额定工作标准下的标称寿命；La是实测工作寿命；Ta是装置实际运行温度；Tr则是额定工作温度的最大值[4]。

从实际情况来看，导致铝电解电容器退化的并非仅仅是温度因素，还有湿度和电压等因素，同样会导致铝电解电容器退化。此种情况的出现，可以设置实验来验证，在高压环境下，阳极电化反应会直接弱化电容器的各项性能，最为典型的当属电解液析出氢气，一定程度上会升高核温。核温是影响铝电解电容器性能的主要因素之一，如果是在直流电压环境下，可以将壳温、环境温度与核温看作是一致的数值，但是受到纹波电流影响，ESR 存在可能导致电容芯子温度逐步升高。

3 ESR 模型和参数选择

基于铝电解电容器退化机制了解到，装置内部所产生的物理反应、化学反应，是导致铝电解电容器退化的主要因素，会导致电解液大量损失，同时增加ESR。ESR 是铝电解电容器功率损耗的主要因素，加快器件装置退化，升高电容器的核温。很多情况下难以直接测量得到电解液容量，尤其是在线诊断无法直接接触，所以可以选择ESR 标准来实现。具体方法有以下几种。

3.1 时间积分法

此种方法的应用原理是根据电解液容量变化随时间积分来获取ESR，此种方法独立性、通用性优势鲜明，在获取电容器纹波电流参数基础上即可计算，不需要考虑电路其他部分。但是，计算中经验公式较多，所以多是依托器件初始工作叠加计算，一定程度上可能损害到此种方法的精度[5]。此外，时间间隔参数叠加，在满足测量实用性前提下，难以满足在线故障诊断需要。