DX600发射机大型电容器寿命影响因素分析及维护思路

赵勇

【摘要】 本文分析了影响电源滤波电容使用寿命的诸多因素，结合我台两部DX600发射机实际维护中出现的情况，给出了有效改善诸多不利因素的维护思路。

【关键词】 DX600 发射机 电容 寿命

HARRIS公司生产的DX系列发射机末级采用MOSFET射频放大单元，采用低电压、大电流的主电源。以DX600的单个PB为例，其主电源输出250VDC、900A（载波状态），这样的电源输出电流大必然要求等效内阻很小，为得到良好的滤波效果，必须使用很多滤波电容，该电源的滤波电路共采用了55支5100μF/350V电解电容，同时，驱动部分和二进制模块125VDC电源滤波分别采用 2支5500μF/200V电容并联和1支18000μF/200V，以上电容均为铝质大型电解电容。

我台两部DX600发射机，随着使用年限的加长，发射机内电解电容陆续出现低效或失效现象，那么，这些电解电容出现低效和失效是正常寿命终了还是另有原因呢？

一方面电解电容本身的设计制造、选用材料和制造工艺决定了其使用寿命。另一方面电容器的使用环境也影响电解电容的使用寿命。由于发射机所用电容器均为原厂正品，故设计因素，这里不作探究，主要针对使用环境和状态进行分析。

一.电解电容正常使用寿命

电解电容使用非固态电解液，其寿命取决于电解液的蒸发速度，电解液缺失到一定程度致使电容器电气性能降低，导致电容器低效直至失效，关于电解电容的寿命计算有专题研究得出的公式，

L：实际使用平均寿命；

Lb：最大温度下的基本寿命；

Tmax：最大工作温度；

Ta：实际环境温度：

△Tjo：加上最大额定纹波电流后，电容器的内部温升；

△Tj：加上实际纹波电流后，电容内部温升；

其中电容器内部温升△Tj跟纹波电流（IRMS）和电容器的等效串联电阻值（ESR）有关。

由公式，影响电解电容寿命的几个直接因素是：环境温度（Ta）、纹波电流（IRMS）、等效串联电阻值（ESR）。对于给定成品电容器等效串联电阻值（ESR）是恒定的，实际使用中，影响因素就是环境温度（Ta）和纹波电流（IRMS），在维护过程中，可以从这两个因素着手。

把以上两个因素分割来分析，存在一种有意义的假设：如果电容器工作电源纹波电流近似于额定纹波电流，纹波电流的影响部分为1，那么电容器工作温度每升高10度，使用寿命将下降一倍，反过来，电容器工作温度每下降10度，使用寿命将提高一倍。在实际使用中常可以看到电解电容器的实际寿命远比标称值高，这就是使用温度低于最高额定温度的原因。我台一部DX600已使用12年多，电容出现低效和失效现象，从整体上是正常的，只是在维护工作中，尽可能降低环境温度和保持良好的电源纹波系数，以最大可能延长电解电容器的使用寿命。

二.电解电容非正常失效的可能原因

1.环境、焊接以及电路中纹波电流异常而造成电容工作温度异常升高

环境温度以及焊接过程的高温，可导致电容器失效不难理解。电路中纹波电流的存在也同样导致电容器内部升温而最终使电容器失效，当纹波电流流过电解电容器时，由于电容器存在一个等效串联电阻（ESR），会导致电容内部温度上升，从而导致使用寿命降低。对于普通电解电容器而言，高频纹波电流将比工频纹波电流的热效应大，因此，在开关电源的输出滤波或负载具有很高的高频纹波电流时，应用普通电解电容器会感到明显发热，电容器的寿命明显下降。

2.工作电压超过电容器设计最高电压

电容器在过压状态下容易被击穿，而实际应用中的浪涌电压和瞬时高电压是经常出现的。尤其我国幅员辽阔，各地电网复杂，经常会出现超出正常电压的30%。经测试表明，常用的450V/470uF 105℃的进口普通2000小时电解电容，在额定电压的1.34倍电压下，2小时后电容会出现漏液冒气，顶部冲开。根据统计和分析，与电网接近的开关电源PFC输出电解电容的失效，主要是由于电网浪涌和高压损坏。电解电容的电压选择一般进行二级降额，降到额定值的80%使用较为合理。

3.反极性电压造成电容器异常失效

铝电解电容器由如下几部分组成：阴极铝箔、电解纸、电解液，阳极铝箔以及形成于阳极铝箔表面作为电介质的氧化铝层。形成于阳极表面极薄的一层氧化铝在电解电容中扮演电介质的角色。它具有优越的介电常数以及单向特性（rectifying properties）。就是这个单向性使电解电容有极性，可以通过交流是电容的充放电特性形成的，实际电荷并没有通过电容器，电解电容反向击穿电压很低，所以电解电容器不能用于交流电，只能用于直流电且不允许反极性馈电。如果极性接反了，电容器的漏电流急剧增大，内部电极严重发热，导致电容器失效，严重时会燃烧爆炸，损害线路板上的其它器件。

三.DX600发射机电容失效故障现象及维护思路

我台两部DX600发射机内部电容陆续出现部分电容低效和失效，其中一部发射机一次发现近二十支低效和失效电容，出现较多电容失效后，发射机状态异常：一是发射机保险板上的35A大保险无规律熔断；二是开机后功率模块保险熔断的概率也变高；三是发射机整机信噪比、失真指标均有下降。以上，前两个烧保险异常原因是滤波电容失效后冲击电流大导致部分保险烧；而发射机信噪比和失真指标下降，是由于电源纹波系数变大引起，更换新电容后状态恢复。

通过以上电解电容使用寿命影响因素的理论分析，结合我台DX600发射机出现的故障，对照出现电容故障发射机的实际运行情况，发射机上电容陆续低效或失效，其主要原因是发射机投入使用年限较长、南方夏季气温高发射机房环境温度相应偏高、加上当地外电线路供电波动大、异常干扰脉冲成分高，诸多原因造成。

为使发射机保持良好运行状态，可从以下4个方面加强检修维护：

1.及时排查并更换失效的电容。从电解电容失效机理可知，当发射机电源滤波电容出现部分失效后，使整机电源纹波系数变大。所以，无论是正常寿命已到还是异常失效，均应该尽早测量出低效或失效电容，并更换新品，否则由于存在部分失效电容，使发射机电源滤波电容受损失效进入恶性循环。

2.采用原厂优质或更高参数的电容器。在实际维护中，为了节省维护经费，我台采取向国内一级电容生产厂商定制相同规格电容，同时，在最高温度和额定使用寿命等参数上要求达到更高等级，希望能在同等使用条件下，使用寿命更长。

3.排查发射机冷却系统是否符合规定要求。随着使用年限的加长，我台一部DX600发射机的冷却水流量慢慢减小，总流量由装机时的46GPM下降到35GPM，三个PB的冷却水流量从16GPM分别下降到12.5GPM、12.5GPM和11.5GPM。水流量减少势必会影响发射机的散热效果，造成机箱内温度上升。经仔细排查，发现水路系统连接整流柜管道接头和可控硅接头两端的软管均有不同程度的堵塞。造成冷却水流量变小的原因是：整流柜内水冷管道与电源距离非常近，长期受电流和电压的影响，冷却系统管道内污物杂质在电蚀的作用下，聚集在金属和软管交接的附近，使管口有效内径变小，从而导致水流量减小。解决的办法是：拆开PB整流柜可控硅与铜管上下连接部的橡胶软管，进行清除处理后，PB水流量都上升至15GPM，总水流量由35GPM上升至45GPM。

4.改善发射机房通风制冷条件，降低发射机环境温度。发射机产生的热量通过辐射、热交换等方式与外界气温达到一个热交换平衡，如果机房通风或制冷条件较好，则这个平衡温度就较低，反之，机房通风制冷效果不好，则热量聚集在机房中，当发射机与机房温度平衡时，发射机内部和机房内温度均较高。

四.结束语

本文结合DX600发射机的实际故障和维护情况进行分析归纳总结而成，但对于采用其它类型发射机的单位，同样具有参考价值，对于类似大型电解电容使用较多的发射机，如PSM发射机，甚至一些其它设备，本文分析的原因结论同样适用，所不同的是，各种影响因素产生的机理不一样，需具体问题具体分析，针对各个因素逐个加以改善解决，一样可以达到良好的维护效果。