UPS电容老化及电容终止寿命

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www.liebert.com。

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间夹着一层伸缩塑料薄膜做成的三明治。这个三明治包含材料和尺寸差异，在介质夹层中也有最薄弱的一点，这些都会导致电容性能的弱化。

直流铝电解电容使用三氧化二铝作为工作介质材料，使用介质等级的铝箔作为电极。此氧化物介质层在铝箔表面生成，和作为电容器阳极的铝箔结合成一个完整的体系，两者相互依存，不能彼此独立。在铝电极箔表面的氧化物层生成之前，铝电极箔会先进行深度蚀刻处理，以便形成超大的表面积（铝箔表面布满了许多小直径的孔道，但这些凹坑并不穿透铝箔）。这种材料本身和制造工艺在每一小尺度范围内同样具有不均匀性。用于UPS的直流电解电容典型容值，从1,500uF到16,000uF（容值随电压等级和电容使用寿命而变化，电压等级一般是350V到400Vdc）。这些容值等级的电容，介质表面积一般从30 m2到300 m2以上。与聚合物薄膜电容类似，这同样是一个非常大的表面积，其材料和工艺的差别（此外不考虑其他因素）同样会在电容内部形成一些薄弱点，这些薄弱点会导致电容性能的弱化。

电容的现场使用老化

两个基本机制会导致电容使用中的老化。第一个是化学反应，热和化学杂质的组合会导致介质材料（包括聚合物膜及氧化铝层）的绝缘恶化，这将降低局部小区域范围内的耐压能力，由此增加了介质材料不能耐受使用规格电压的可能性。这些化学反应中，氧化物，水分，湿气，卤素的影响仅仅是少数的几个例子。

第二种机制与漏电流有关。介质材料通常被认为是绝缘体，当电压加在绝缘体时，是不导电的。但实际上，所有绝缘材料当施加电压时，都会有非常微小的电流通过，这种传导电流（电子和离子物理移动穿过绝缘层，区别于一般所说的电子机制电流）通常被称为漏电流。这种电流量级非常小（典型值在每cm2百万分之一安培），尽管如此，它仍会在非常微小的通道里流动并且会导致局部热量升高和材料电子活跃度的增加。

本白皮书中介绍的老化机制是非常浅显的，仅用于介绍电容老化的概念。安装和使用在电路中，电容器不是静止的电气元件，随着时间推移，内部反应和漏电流会导致介质耐压降低（增加电容失效可能性）。随着反应的进行，电容容值会缓慢降低，电容等效电阻会缓慢的增加（所有电容内部都有一个等效的串联电阻）。

电容器有一个终止寿命

电容器老化过程可以看成是水坝在缓慢的漏水。随着时间推移，很小的漏水也会逐渐增加，水流运动穿过水坝，会导致水坝内部结构恶化。尽管泄露比率在增加，但仍是很小，水坝也还能维持蓄水功能。随着水流继续泄露，水坝结构受到损坏，当足够的损坏发生时，短期内出现故障的可能性变得很高，水坝就需要进行维修。

在电容老化过程中，漏电流和化学反应都会导致容值下降和等效串联电阻增加，这两者与电容内部损伤的发生是相伴随的。电容一旦持续发生足够的损伤，故障可能性将增加，当这种可能性非常高时，电容就应该拿出来进行维修。

目前的电容行业，有行业指导定义了电容使用寿命，主要是基于容值降低和/或等效串联电阻增加来考虑，典型值如表1所示，超过指导值时电容寿命终止。电容寿命终止时仍然可以使用，就像水坝仍可以蓄水，但此时电容短路失效的可能性很高，必须拿出来进行维修。请注意，即使有电容行业经验很多年，很多寿命终止的电容仍在使用，而这些指导未能起到作用。

表1 寿命终止参数表

电容达到终止寿命时的失效模式

两种电容的寿命长短都由容值损失和内部电阻变高来衡量。如果此过程持续发生，当到达某一点时，电容将出现短路故障，且无法维持额定电压的耐压能力。电容老化过程还会产生气体，这将增加电容结构的内

部气体压力。薄膜电容内部设置有过压中断装置，当压力达到预设值时，中断装置动作，断开电容与电路的连接。这种过压中断器基于刻槽导线进行设计，压力过大时会断开，如图3B所示。当过压中断器动作后，电容壳体会向上扩大，很明显的能看到电容寿命终止，以及无法在电路中使用。世界上还有其他类型的过压中断器，但都是过压开路，以便从电路中断开电容连接。对于直流电解电容，过压保护装置原理是，当达到在预设压力值时，顶开一个橡胶塞（防爆阀），如图3A所示。它并不能从电路中断开电容连接，但可以提供一个能看得到的电容寿命终止信号。直流电路中没有简易的电压灭弧器，因此直流电容中没有类似的过压中断器。

图3A 直流电容上的橡胶塞

图3B 交流电容内部的V型刻槽导线

UPS系统可以监控自身提供的交流电能质量，也可以检测交直流电容容值的减少。实际上，UPS检测的是电能质量而不是电容容值或等效电阻，但电能质量和这两个参数是相关的。当UPS检测到电容容值达到预设的下限值，会发送一个信号或告警到合适的位置，去提示设备需要维修。容值降低会使剩余电容的压力

增加，假如一个电容的防爆过压保护动作了，额外的压力将加到剩余电容上，由此将再一次影响电能质量。更极端的情况，甚至会因为容值降低导致UPS故障转到旁路供电。对于过压中断器动作或者防爆阀被顶开这两种情况，电容都已经寿命终止，且必须要更换。

老化的交流薄膜电容包含有大量的化学反应能及内部气体压力（相对于大气压力而言），老化的直流电容则包含有大量的电势能及内部气体压力。如果电容损伤继续发展为短路，将会在很短的时间内出现大量能量释放（装在同一个大组件中的所有电容会将它们的能量全都释放灌入失效电容中），此时并不一定能将失效电容从电路中脱离，而是有可能损坏整个UPS系统。

预期使用寿命及可靠性的区别

预期使用寿命和可靠性是类似的概念，但两者并不相同。预期使用寿命粗略定义了使用寿命，例如1年，5年，10年等等。它并不意味着一个设计寿命是5年的电容在5年之后才会失效。即使在预期使用寿命内，电容一定也会有失效的情况。预期使用寿命仅作为一个一般性的指导。可靠性则是一个累积失效可能性的概率统计，是在某种特定运行工况和使用时间条件下所定义的。

可靠性参数的定义格式一般是：“在额定条件下运行50,000小时，累积故障率最大值是5%，可信度是+/-90%（普遍能达到95%）”。电容老化的一种简单表述如图4所示。

在理想情况下，同样型号的每一个电容同批次制造，并使用于相同的额定工况下，会同时达到预期使用寿命，且在超过预期使用寿命过后会失效，即使时间上可能有细微的差别。如图4右图

但在实际使用中，同样型号制造出来的一批电容，在同样的额定工况下使用，其失效时间是不一样的，如图4左图。事实上，有一小部分电容的确会在预期使用寿命内失效。

图4 电容老化示意简图，右图表示理想的老化情况，左图表示实际的老化情况

对于一个很小的累积故障率（例如0.01%），要想很可信的准确计算运行时间是很难的。高可信度需要处理样品测试数据中的方差。从图5易于理解样品测试相关的问题。

图5的最上面一格，表示用于小批量测试的24个电容测试到失效的情况。小批量电容沿测试时间轴绘制，显示了第一个失效的电容，然后是第二个（这个失效用的时间比第一个要长），第三个，及最后的第四个。在理想情况下，测试会持续进行到所有电容失效，但将会花太长时间，很少能做完。

第二格显示测量数据通过曲线拟合方法拟合成一条分布曲线（对电容来说，这条曲线一般是两参数的韦伯分布函数）。如果想在一个很小的累积故障率（如0.01%）下找出失效时间，那么需要解析关系式。想要通过量测的方法得出0.01%概率的累积失效时间，需要测试一组数量超过10,000个的电容，这是不切实际的。

第三格显示累积故障率（0.01%）参数增加到了测试数据中。M/

最下面一格，显示了从总的电容基数中拉出另外一组24个电容进行实验后会发生什么情况。每一次实验重复进行，测量结果都不一样。如果每一次用不同的电容组，重复实验N次，将会得到N个测量/计算时间。数学的置信水平一定可以应用在多组数据上，并获得一个最终结果。

图5 可靠性计算的测试及分析过程示意图

电容厂商使用单一的物料编号生产大量电容，同一个编号的，被大型UPS公司购买的电容数量很容易超过100万个。这些电容中，电容厂商用于测试的一般少于150个，由6-8个样品组组成。这种样本规模所能提供的用于预测可靠性的测试数据是很少的。电容行业提供了可靠性数据，但很明显，要想达到高准确度非常困难。这就将预防性维护包括现场电容更换留给了行业进行处理，基于多年使用经验，这是最正确的方法来保证UPS系统中电容维持良好状态，并最终超过UPS自身的使用寿命。

需要统计建模来预测电容的故障可能性

这个问题在预期寿命和可靠性的章节中描述过。通过在大量基数里抽取小批量电容样本进行寿命加速测试，再使用这些测试数据来计算故障时间，就需要使用分布曲线拟合及统计建模。多年来一般使用三种分布模型：韦伯分布，指数分布（韦伯分布的一个子集）和对数正态分布。电容故障数据不使用钟形曲线（高斯）建模。故障分布是非对称的（两个方向都有拖尾，但右边拖尾要远远大于左边拖尾）且分布范围非常广。使用的三种模型中，指数分布是目前为止最为普及的，因为它的数学最简单。指数模型是“浴盆曲线”（行业中常被引用）的依据，韦伯模型是使用第二多的，对数正态分布仍在使用，但在过去的20年里，已经大量的被韦伯模型所替代。图6显示了交流薄膜电容故障建模的一个例子。图6A是电容厂家提供给艾默生网络能源的交流薄膜电容的真实数据，一条曲线代表故障密度，另一条曲线代表累积故障可能性。 从图6A可以看出，在累积故障率为0.1%的可靠性超过48,000小时。48,000小时看起来很好，但应用上置信水平，这数值将会变得小很多。 图6A的曲线使用了60%置信度。 瞬时故障率可以用公式1进行计算：

公式1 瞬时故障率=概率密度函数/累积故障使

用图6A中的实际寿命测试数据和公式1，计算出的瞬时故障率如图6B所示。实线是实际计算值。浴盆曲线模型假设了一个瞬时故障率常数，此常数的前段因为早期失效率而急速上升，在后段因为寿命终止同样也急速上升。实际计算曲线是不平的，前段急速上升，但后段并没有上升，这只是一个测试的问题。原始测试数据并不够充分，以致无法看到在寿命终止时的大量故障失效。虚线是手绘的，打算模拟浴盆曲线以给出实际数据。可以看到，尽管实际数据与浴盆曲线模型有一些区别，但此模型并不差。曲线图看起来让人印象深刻，但仍然缺少统计，也包含了大量误差。对于不同的电容测试样品组，曲线也是不一样的。这个问题只能通过置信统计解决。

图6A 故障概率密度函数与累积故障可能性（可靠性）和测试时间的关系

图6B 瞬时故障率和测试时间的关系。实线使用图6A的数据，虚线（浴盆曲线）是近似值。 对于直流铝电解电容，同样可以测量得到极其类似的曲线。

电容行业中加速寿命测试因子的应用

直流铝电解电容在最大额定工况下，其使用寿命典型值一般是1,000到12,000小时，这是一个非常短的时间，因为一年有8,760小时，而一台UPS系统可以使用许多年。为达到一个较长的寿命，直流电容一般降额使用（温度，电压，纹波电流等）。在最大额定工况下测试出来的电容寿命需要转换为运行工况下的，如此才能计算出运行工况下的可靠性。为了计算预期性能表现，要将加速寿命因子用于直流电容。 交流薄膜电容在最大额定工况下，其使用寿命典型值一般是60,000到150,000小时。如果想对交流电容在最大额定工况下进行寿命测试是不切实际的，因为这种测试需要持续许多年。一般的替代方法是，在更高的参数条件下进行测试，并使用加速寿命测试方法来预测运行工况下的可靠性，此运行工况一般比最大额定工况低，但还达不到像直流电容降额使用的程度。

加速寿命测试乘数因子在电容行业中已经使用很多年。行业中用于交流电容的乘数因子如图7所示。

图7 用于交流电容的典型使用寿命乘数。电压从90%到135%的额定电压，温度从40℃到100℃（额定值是70℃，曲线图中的刻度是华氏温度绝对值）

在额定参数之上，提高使用参数肯定会减少电容使用寿命；在额定参数之下，降低使用参数，也会延长电容使用寿命。这在行业已经用乘数因子的方法来考虑，但整个行业中，使用着不同的因子。对于交流电容，电压一般采用高倍电压比，关系如公式2所示：

公式2 电压系数=（V最大额定值/V运行工况值）n

许多大型电容厂商使用的指数从7到9.4，这个范围很大，也反映了行业里面存在的差别。

温度乘数一般按照与最大环境温度每差10℃，取值2。多年研究显示，热加速寿命因子是很好的指导，但它仅是一个近似值。实际温度乘数因子随绝对温度及温差（使用温度和最大额定温度的差值）而变化。 行业中也有对于直流电解电容的加速乘数，但不同厂家间也有所不同（不同厂家的电解质化学配方是专有且不同的，因此会有不同的加速寿命测试因子），且行业并无统一标准。这许多种的加速寿命测试同样有巨大误差，也只能作为一个指导。加速寿命测试因子进一步降低了运行工况下预测电容故障的准确率。

在现场维护时，老化电容可以被检测和隔离出来

交直流电容都有气体扩张保护装置（气体随着电容老化而产生）。如图3B所示，交流电容内部气体扩张很容易能看到。Liebert使用的圆筒型金属外壳交流电容内部有过压中断器。圆形设计的电容，所有膨胀发生在顶盖周围，当现场维护时可以看得到。Liebert在圆形外壳下方设计一个小空间，扩张时能允许长度上延伸大约3mm，现场维护时也很容易看到。直流电容则有防爆橡胶塞，当内部气体压力出现并达到一个触发值时，橡胶塞会向上弹出约2mm，现场维护中也能看到。如果由Liebert认证工程师进行维护，那么，在预防性维护时，电容可以移除并更换，且不会对UPS造成损伤。

一个电容明显发现有老化时，需要更换整组电容

同一台UPS系统中，电容的老化情况具有累积故障分布规律（电容装在电容组件中，有同样的现场老化工况），在前段会被压缩（参考图6A，图6B的故障分布曲线）。当一个或两个电容过压中断器动作，寿命终结，电容组件中的其他电容应力将增加，会加速老化。一旦组件中的第一个电容故障，剩余电容故障的可能性就很高。

为保证最大可靠性，Liebert建议一旦发现第一个电容寿命终结，就应该更换电容组件中的所有电容。这可以让电容老化进程重新开始。

单个电容安装在组件里（交直流电容都是），为了更换，需要将电容组件从UPS系统里拿出来，只要将电容组件拿出来后，更换所有电容所需要的只是增加一点时间而已。

电容更换周期建议

交直流电容更换周期建议如表2，表格显示了典型的测试寿命时间，运行工况下的预期使用寿命。两种电容的时间比例很相似。对于直流电容，最大额定工况下的测试时间约2,000到5,000小时，降额使用情况下，可靠性计算得出的正常使用时间约150,000小时。对交流电容，加速测试工况下的测试时间约2,000到3,000小时，在稍低于运行工况标准的条件下，可靠性计算得出的正常使用时间约100,000小时。可以看出，比例大约都是50倍范围。这数字很大，也是问题的一部分。通过小批量样品组的短时间测试，得到测试数据，再去预测超过50倍时长的使用时间，确实能做到，也已经做到，但是，其所能达到的准确度非常有限。通过多年现场数据收集，所得出的电容更换周期，是保证高可靠性的最好方法，至少目前是这样。

表2 电容更换周期建议表

结论

本文简要介绍了大容量交直流电容的结构，老化进程，寿命终止标准和可靠性计算，证明了交直流大电容并非静止器件，它们在现场运行工况的使用中会逐渐老化。随着时间推移，老化进程会使电容性能慢慢恶化，恶化到最后，UPS中的电容就需要更换。使用中的电容在它们性能严重恶化之后，会使UPS系统面临因为电容短路失效所带来的故障。

本白皮书证明了计算交直流电容故障可能性时必须使用统计学方法，因为数量庞大的所有生产出来的电容中只有很少量的电容用于测试。由于测试数据的限制性，即使有再缜密的统计模型，计算值仍有明显的不确定度。测试数据缺少足够的准确度，无法用于确定准确的MTBF（平均故障间隔时间），也无法确定UPS系统的可靠性数值。在交直流电容老化出现明显的电容短路可能性之前，定期更换交直流电容，可以提供更为可靠的保证，确保UPS系统有一个更长的使用寿命，而不是时刻担心不可控的宕机风险。