UPS电容老化及电容终止寿命.pdf

  UPS 电容老化及电容终止寿命 一份由“关键业务全保障”领域专家编写的白皮书 翻译 龚俊 摘要 本白皮书讨论了用于 UPS 的大容量直流铝电解电容和交流薄膜电容，包括特定工况老化，失效模式，期望 使用寿命及预防维护。 UPS 使用的大容量电容包括交直流两种。两种电容在运行工况下都会有降额，使用数年后，现场使用老化 会逐渐缓慢发生，最终，老化将导致电容失效。电容定期更换则可避免此问题。 介绍 全世界的高品质电容制造商都会提供电容使用寿命评估，但寿命评估最多只是一个指导原则。由于数据缺 乏足够的准确度，在使用数量庞大的电容中，无法用于预知第一个电容会在什么时候出现失效。针对某一 具体故障率，电容失效模式确实存在并且会有一个失效时间，但此数据含有巨大的偏差，且难以令人信任。 因此，定期更换电容，是保证电容维持一个非常高的 MTBF（平均故障间隔时间）的唯一方法。本白皮书 探讨电容失效原因，电容组失效的时间分散性，电容失效建模，以及高性价比的电容更换解决方案。 电容并非 UPS 系统中唯一会老化的器件，也不是导致 UPS 系统宕机或转旁路的唯一原因，Liebert 有完整 的 UPS 系统器件使用寿命清单，以及相应的更换时间建议清单。更多信息请关注 。 为什么 UPS 系统要使用大功率电容器 在线式 UPS 系统包含五个主要部分，如图 1 所示。 1.输入交流滤波器，位于输入端； 2.整流器，用于将输入交流变换为直流； 3.直流母线，包括大容量电池组和直流母线电容，用于维持母线电压稳定以及直流滤波； 4.逆变器，用于将直流母线电压逆变成交流输出； 5.输出交流滤波器，位于输出端。 图 1 UPS 系统接线图直流电解电容用于直流信号滤波，交流薄膜电容用于交流信号滤波。直流电容也用于 将直流母线电压维持在一个稳定水平。如果没有电容器的滤波作用，UPS 系统输出的电能质量将很糟糕， 无法达到大型数据中心所需要的高可靠供电系统的要求。 两种不同电容器的技术优势 电气线路中电容器的选择取决于一整组电气，结构和环境参数的要求。基于设备完整的规格参数要求，可 以缩小电容选择范围，然后再根据器件品质，尺寸（功率密度考虑），安装方式等，决定最终的电容器型 号选择。相比交流薄膜电容，直流电解电容尺寸小，功率密度高，但直流电容仅仅能用于直流电路。交流 电容可以使用于交直流电路，但直流电路使用交流电容的话，将大大增加 UPS 系统的尺寸和成本。因此， 直流电容用于直流线路，而交流电容用于交流线路。 交直流电容器的基本设计 一般来说，电容器由两个主要组件构成：一层非常薄的表面积超大的介质材料和两块薄导电片（即电极）。 对两种电容技术来说，都是把工作介质材料和两个电极箔卷绕成类似纸毛巾卷的部件，然后交流薄膜电容 封装到大的圆筒型金属或塑料壳中，而直流电解电容则只能封装到大的铝金属圆筒形外壳里，如图 2 所示。 这些大尺寸元件直径一般从 60mm 到 100mm，高度从 120mm 到 220mm。 图2 金属外壳是交流电容，蓝色绝缘外壳是直流电容。背景网格，每格 1cm*1cm。 交流电容使用聚丙烯作为介质材料，此介质薄膜由电介质等级的树酯（非常纯净的聚丙烯树酯，杂质非常 少，但不是完全没有）加工而成，先挤压之后再拉伸为非常薄的膜（3um 到 20um），平均厚度大约比蜘 蛛网厚 3%到 4%。在每小片尺度范围内（比人的头发丝截面积还小），薄膜的厚度是不一样的。另外，树 酯中的杂质在大表面积范围内有一个平均浓度，而在小区域范围内又有所差异，这种材料本身和制造工艺 中的不均匀性，会导致电容性能的差异性。这是个简单的模型，有助于说明性能差异在决定电容使用寿命 和可靠性方面扮演了重要角色。使用寿命和可靠性的差异将在第七部分讨论。 用于 UPS 的交流电容典型的容值，规格从 50uF 到 200uF，这是单个电容的容值。这些电容的介质表面积， 一般从 10m2 到 40m2（这是一个大致面积，但会随着电容电压等级和使用寿命有所变化）。这种尺寸规 模可以看成是两个大型车库门中