鋁電解電容的失效分析

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2017-08-23
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摘要 : 電容器的常見失效模式有:擊穿、開路、電參數變化(包括電容量超差、損耗角正切值增大、絕緣性能下降或漏電流上下班升等)、漏液、引線腐蝕或斷裂、絕緣子破裂或表面飛弧等.引起電容器失效的原因是多種多樣的。各類電容器的材料、結構、制造工藝、性能和使用環境各不相同,失效機理也各不一樣。

重慶達標:鋁電解電容的失效分析

一、鋁電解電容概念blob.png

  鋁電解電容是電工行業的一種裝置,由鋁圓筒做負極,里面裝有液體電解質,插入一片彎曲的鋁帶做正極制成。鋁電解電容需要經過直流電壓處理,使正極片上形成一層氧化膜做介質。鋁電解電容特點是容量大,單位體積的電容量非常大,比其它種類的電容大幾十到數百倍。價格比其它種類具有壓倒性優勢,因為電解電容的組成材料都是普通的工業材料,比如鋁等等。但是漏電大、穩定性差,有正負極性,適宜用于電源濾波或者低頻電路中;使用時,正負極不要接反。


二、鋁電解電容常見的失效模式
  電容器的常見失效模式有:擊穿、開路、電參數變化(包括電容量超差、損耗角正切值增大、絕緣性能下降或漏電流上下班升等)、漏液、引線腐蝕或斷裂、絕緣子破裂或表面飛弧等.引起電容器失效的原因是多種多樣的。各類電容器的材料、結構、制造工藝、性能和使用環境各不相同,失效機理也各不一樣。各種常見失效模式的主要產生機理歸納如下。


三、失效模式及其引發原因分析

1、擊穿
  鋁電解電容器擊穿是由于陽極氧化鋁介質膜破裂,導致電解液直接與陽極接觸而造成的。氧化鋁膜可能因各種材料,工藝或環境條件方面的原因而受到局部損傷。在外加電場的作用下工作電解液提供的氧離子可在損傷部位重新形成氧化膜,使陽極氧化膜得以填平修復。但是如果在損傷部位存在雜質離子或其他缺陷,使填平修復工作無法完善,則在陽極氧化膜上會留下微孔,甚至可能成為穿透孔,使鋁電解電容器擊穿。

  此外,隨著使用和儲存時間的增長,電解液中溶劑逐漸消耗和揮發,使溶液酸值上升,在儲存過程中對氧化膜層發生腐蝕作用。同時,由于電解液老化與干涸,在電場作用下已無法提供氧離子修補氧化膜,從而喪失了自愈作用,氧化膜一經損壞就會導致電容器擊穿。工藝缺陷也是鋁電解電容器擊穿的一個主要原因。如鉚接工藝不佳時,引出箔條上的毛剌嚴重剌傷氧化膜,刺傷部位漏電流很大,局部過熱使電容器產生熱擊穿。在使用上過溫,過紋波電流或過機械應力都有可能使電容擊穿失效。


  2、漏液
  漏液,是電容器失效的原因之一,而鋁電解電容也不例外。鋁電解電容其工作電解液呈現酸性,如果溢出,則會嚴重污染和腐蝕電容器周圍的其他元器件和印刷電路板。同時電解電容器內部,由于漏液而使工作電解液逐漸干涸,喪失修補陽極氧化膜介質的能力,導致電容器擊穿或電參數惡化而失效。產生漏液的原因是很多的,如:

 ?、黉X電解電容器密封不佳;
 ?、诓捎孟鹉z塞密封鋁電解電容器的,則可能因為使用太久,導致橡膠老化、龜裂而引起漏液現象;
 ?、蹤C械密封工藝存在問題;
 ?、馨惭b問題,一般生產廠商會考慮到漏液問題,他們會在企標中明確規定要立式安裝,而有些企業則采用了臥式安裝等。


  3、爆炸
  鋁電解電容器在工作電壓中交流成分過大,或氧化膜介質有較多缺陷,或存在氯根、硫酸根之類有害的陰離子,以致漏電流較大時電解作用產生氣體的速率較快,工作時間愈長,漏電流愈大,殼內氣體愈多,溫度愈高。電容器金屬殼內外的氣壓差值將隨工作電壓和工作時間的增加而增大。如果密封良好,又沒有任何防爆措施,則氣壓增大到一定程度就會引起電容器爆炸。

  目前,已普遍采用防爆外殼結構,在金屬外殼上部增加一道褶縫,氣壓高時將褶縫頂開,增大殼內容積,從而降低氣壓,減少爆炸危險。在使用上如加過載電壓,對電容急速充放電,施加反向電壓等都有可能使電容爆炸。


4、電參數惡化
 ?、匐娙萘肯陆蹬c損耗增大
  鋁電解電容器的電容量在工作早期緩慢下降,這是由于負荷過程中工作電解液不斷修補并增厚陽極氧化膜所致。鋁電解電容器在使用后期,由于電解液耗損較多、溶液變稠,電阻率因黏度增大而上升,使工作電解質的等效串聯電阻增大,導致電容器損耗明顯增大。同時,黏度增大的電解液難于充分接觸經腐蝕處理的凹凸不平鋁箔表面上的氧化膜層,這樣就使鋁電解電容器的極板有效面積減小,引起電容量急劇下降。這也是電容器使用壽命臨近結束的表現。

此外,如果工作電解液在低溫下黏度增大過多,也會造成損耗增大與電容量急劇下降的后果。在使用上過溫,過紋波電流都有可能使電容量下降與損耗增大。

 ?、诼╇娏髟黾?br/>  漏電流增加往往導致鋁電解電容器失效。工藝水平低,氧化膜損傷與沾污嚴重,工作電解液配方不佳,原材料純度不高,電解液的化學性質與電化學性質難以長期穩定,鋁箔純度不高,雜質含量多等等這些因素均可能造成漏電流超差失效。鋁電解電容器中氯離子沾污嚴重,漏電流導致沾污部位氧化膜分解,造成穿孔,促使電流進一步增大??傊?,鋁箔中金屬雜質的存在,會使鋁電解電容器漏電流增大,從而縮短電容器的壽命.在使用上過壓等有可能使電容的漏電流增加。

  

5、燒毀
  鋁電解電容發生燒毀,一般是以下原因引起:
 ?、僬摌O接反 鋁電解電容器是一種有正負極的電容器,如果安裝鋁電解電容器時正負極接錯就會發生電容燒毀現象;
 ?、谀蛪翰粔?當電壓超過鋁電解電容器的本身的耐壓值時,也會發生電容燒毀的現象;
 ?、圪|量不合格 一些生產廠家生產的鋁電解電容不合格,也可能引發電容的燒毀等。


  6、開路
  鋁電解電容器在高溫或潮熱環境中長期工作時可能出現開路失效,其原因在于陽極引出箔片遭受電化學腐蝕而斷裂。對于高壓大容量電容器,這種失效模式較多。

  此外,陽極引出箔片和陽極箔鉚接后,未經充分平,則接觸不良會使電容器出現間歇開路。在使用上,過機械應力有可能使電容開路。


四、選型要點

1、額定電壓

鋁電解電容本體上標有的容量和耐壓,這兩個參數是很重要,是選用電容最基本的內容。

在實際電容選型中,對電流變化節奏快的地方要用容量較大的電容,但并非容量越大越好,首先,容量增大,成本和體積可能會上升,另外,電容越大充電電流就越大,充電時間也會越長。這些都是實際應用選型中要考慮的。

額定工作電壓:在規定的工作溫度范圍內,電容長期可靠地工作,它能承受的最大直流電壓。在交流電路中,要注意所加的交流電壓最大值不能超過電容的直流工作電壓值。常用的固定電容工作電壓有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、400V、450V、475V、500V、600V、630V。電容在電路中實際要承受的電壓不能超過它的耐壓值。

在濾波電路中,電容的耐壓值不要小于交流有效值的1.42倍。另外還要注意的一個問題是工作電壓裕量,一般來說要在15%以上。

讓電容器的額定電壓具有較多的余裕,能降低內阻、降低漏電流、降低損失角、增加壽命。雖然說, 48V的工作電壓使用50V的鋁電解電容短時間不會出現問題,但使用久了,壽命就有可能降低。

2、介質損耗

電容器在電場作用下消耗的能量,通常用損耗功率和電容器的無功功率之比,即損耗角的正切值表示(在電容器的等效電路中,串聯等效電阻ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan δ,這里的 ESR 是在 120Hz 下計算獲得的值。顯然,Tan δ隨著測量頻率的增加而變大,隨測量溫度的下降而增大)。損耗角越大,電容器的損耗越大,損耗角大的電容不適于高頻情況下工作。散逸因數dissipationfactor(DF)存在于所有電容器中,有時DF值會以損失角tanδ表示。此參數愈低愈好。但鋁電解電容此參數比較高。

DF值是高還是低,就同一品牌、同一系列的電容器來說,與溫度、容量、電壓、頻率……都有關系;當容量相同時,耐壓愈高的DF值就愈低。此外溫度愈高DF值愈高,頻率愈高DF值也會愈高。

3、外型尺寸

外型尺寸與重量及接腳型態相關。single ended是徑向引線式,screw是鎖螺絲式,另外還有貼片鋁電解電容等。至於重量,同容量同耐壓,但品牌不同的兩個電容做比較,重量一定不同;而外型尺寸更與外殼規劃有關。一般來說,直徑相同、容量相同的電容,高度低的可以代用高度大的電容,但是長度高的替代低的電容時就要考慮機構干涉問題。


好了,今天關于鋁電解電容的討論就到此。

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