铝电解电容器退化分析与故障预诊断

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1、第29卷第15期682005年8月10日电力系统自动化AutomationofElectricPowerSystemsVol.29No.15Aug.10，2005©1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net©1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net铝电解电容器退

2、化分析与故障预诊断马皓，王林国(浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市)摘要：从铝电解电容器的一般组成和结构出发，给出了适合实际电路应用的等效电路模型，阐述和分析了铝电解电容器的主要退化机理，在此基础上给出了铝电解电容器的寿命模型和退化参数表征。对获取等效串联电阻（ESR)的几种方法进行了分析和比较，探讨了在实际电力电子系统在线故障预诊断中应用的可行性，并在理论上推算了ESR随时间的变化趋势。关键词：电解电容器；等效串联电阻；退化机制；故障预诊断中图分类号：TM535.1©1994-2012ChinaAcademicJournalElectron

3、icPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net©1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net〇引言铝电解电容器以其大容量、髙耐压、高性价比等特点在各种大功率场合有着广泛的应用，特别是在电力电子系统中，电解电容器的性能和指标直接影响着整个系统的性能，应用情况[1]表明电解电容器发生故障的概率在整个电力电子系统故障中最高。因此，要实现电力电子系统

4、的在线故障预诊断，对电解电容器的故障进行分析是十分必要的。本文从铝电解电容器的一般组成和结构出发，推导得出适合实际电路应用的等效模型；并从分析电解电容器的工作原理人手，阐述其主要的退化机理，在此基础上给出铝电解电容器的寿命模型和退化参数表征，对获取等效串联电阻（ESR)的时间积分法、参数推导法、参数辨识法进行了分析和比较，探讨了在实际电力电子系统在线故障预诊断中应用的可行性，在理论上推算了ESR随时间的变化趋势，并结合测试数据验证了该模型的准确性。1铝电解电容器结构与等效模型常用铝电解电容器的结构由电容器芯子、保护结构及引出线或绝缘子引出端组

5、成。其中功能部分为电容器芯子，其组成结构包括：阳极金属箱、电解液和阴极金属箔，如图1所示。在阳极箔上经过化成反应形成金属氧化膜（A1203)，金属氧化膜具有良好的耐压能力[2](1.4nm/V〜1.5nm/V)，因此铝电解电容器常有较高的耐压等级。对一般铝电解电容器，阴极箔上并没有进行化成处理，电容量主要由阳极金属氧化膜作为工作介质构成。由于在金属上生长的氧化膜有类似PN结的单向导流特性[3],收稿日期：2005-02-28。国家自然科学基金资助项目（)。因此电解电容器具有极性。若在使用中反接，金属氧化膜中有较大电流通过，导致内部发热使电容

6、器失效。常见电解液为乙二醇、丙三醇、硼和氨水等所组成的糊状物，在铝电解电容器中起阴极的作用，并通过化学反应对阳极氧化膜起修补和自愈的作用，电解液中常浸有衬垫纸，用以吸附电解液并防止阴阳极金属箱的直接短路。由于一般电容器阴极箔上并没有介质氧化膜，在结构上阴极箔仅起连接电解液和外部引出线的作用。为提高电极板与介质氧化膜的接触面积，金属箔上常蚀刻有很密的小孔，从而增大铝电解电容器的容量。介质电解液衬垫纸图1铝电解电容器芯子结构Fig,1ElementstructureofthealuminumeletroJyticcapacitor从上述铝电解电容

7、器的组成结构上分析，其等效电路可如图2所示。D2i«pQCl：_Ls只sp图2铝电解电容器等效电路Fig.2Equivalentcircuitofaluminumelectrolyticcapacitor©1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net•研制与开发•马皓，等铝电解电容器退化分析与故障预诊断73]cJ〇(1)图2中，Ls为引线电感，串联电阻i?sp表示电解液及衬垫纸欧姆电阻，并联电阻i?P为介

8、质（金属氧化膜)损耗电阻，其中忽略因氧化膜不完整引起的漏导电阻（一般为100/C，单位为Mn[2]，C的单位为jxF)。二极管D等效氧化膜介质的PN结效应。该电路的