不斷電系統電容器老化在線監測及本質壽命評估

前言

生產機台主要的是靠電力來運作，然而目前尚無公共電力系統能保證其電力可穩定無虞的供給用戶；亦即電力系統的瞬間電壓變動與中斷是無可避免的。因此，不斷電系統(Uninterruptible Power System, UPS)為廠內電力敏感設備不可或缺的重要設備。

UPS的操作原理為當市電正常時，將電儲存於儲能元件(蓄電池)，當市電發生過大的電壓變動(標稱電壓的+/-10%以上)或中斷時，再將其儲存的能量提供給負載使用，以達到不斷電的效果。

但是，在電力系統正常時，UPS在運轉上會因內部元件異常而產生可能供電不穩的問題，本文將對UPS內部元件異常做探討及提出改善措施。

UPS內部異常探討

統計2009~2015 50次UPS異常事件，排除UPS外部設備的異常，共計22件異常事件由UPS內部元件造成，並且集中在四種元件上，分別為AC電容器、DC電容器、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣閘雙極電晶體)、SCR(Silicon Controlled Rectifier,矽控整流器)。其異常次數如 表一所示。

分析 表一的數據，如果將AC電容器與DC電容器故障次數相加，則電容器故障次數總共17次，佔整體元件故障的77%，並且會造成機台影響及人員受傷的副作用。

而IGBT的故障，主要原因並非IGBT本身，而是其他問題造成IGBT觸發異常而燒毀，真正的IGBT異常只有一次。如 表二所示。

因此，針對UP內部元件異常的探討，電容器異常的先期預警系統是首要之務。

電容器健檢系統

以往電容健檢的方式，係以UPS年度保養時量測電容值。當電容值超過準值+/- 10%時判定為不良並更換，此法缺點為間隔時間過長。

為解決間隔時間過長問題，考慮建立即時監測系統代替。由於電容壽命與溫度密切相關，溫度每上升10℃，電容壽命將會減半。以此發展以電容器的運轉溫度評估其已達其壽命末期的預警系統。 圖一為電容器的等效串聯電路，由ESR (Equivalent Series Resistance,等效串聯電阻)、ESL (等效串聯電感, Equivalent Series Inductance)、C (純電容, capacitance)組成。電容內部的溫度高低取決於ESR的變化。當電容器容量衰減時，ESR會有明顯變化。

在 圖二中，電容器容量下降10%時，ESR將會上升一倍。產生的熱量亦會多出一倍。因此，藉由監測電容器的溫度，可於電容尚未嚴重衰減前，及早檢出異常。

表三是電容器廠商提供的規格表，依據資料，電容器工作溫度介於-40 ℃~70℃。為提早告警異常，將預警點設定於60℃。 

表四為所選擇的溫度開關的動作及復位溫度。

在確定以電容器溫度作為電容衰減早期預警的機制後，會同廠商開始進行實驗以驗證實際是否可行。實驗的方式是將良品與不良品電容，同時加電壓及量測表面溫度，觀察各別的溫昇。

為取得不良電容，將一顆良品電容進行高壓衝擊破壞，以5KV高壓對良品電容衝擊10次，做為不良品電容，如 圖三。

並以LCR測試器量測不良品的電容與ESR值，如 圖四。

不良品電容器電容值為43.5μF，ESR值為0.0329Ω。該電容良品標準電容值為45.0μF，標準ESR值為0.0235Ω，見 表五。對照標準值，不良品的電容衰減率為3.33 %，ESR增加率為40%，由此可確認電容值衰減時，會造成ESR劇烈變化。

圖五為電容器溫昇實驗。 

表六為溫昇實驗的數據，在良品與不良品電容器開始加壓前，電容器表面溫度為21℃，加壓經過45分鐘後，不良品電容器表面溫度達到55℃，溫度開關動作，溫度開關迴路阻值由33mΩ轉為開路。此時停止加壓，7分鐘後不良品電容器表面溫度回降至46℃，溫度開關迴路阻值由開路轉為33mΩ。由實驗結果可知，不良的電容器溫度確實會明顯持續升高。確認以電容器表面溫度作為電容衰減早期預警的機制為有效的方法。 

接下來將此預警機制運用於UPS上，並能在溫度開關動作時，UPS能夠發出告警通知值班人員。 圖七為附溫度開關的電容組安裝於UPS上的情形。以熱風槍對溫度開關加熱模擬電容器溫昇，觸發告警。告警畫面如 圖八。

電容器本質壽命探討

• 溫度的影響：溫度會影響電容器介質的化學劣化，通常溫度升高10℃則電容會減半，因此電容器在高溫使用時，壽命將會縮短。
• 電壓的影響：一般電容器設計其最高使用電壓為110%，若超過此電壓將加速介質的局部放電現象，造成介質老化而導致壽命縮短。

目前UPS使用之電容器有金屬薄膜電容器與電解電容器兩種，其壽命計算公式如下。

金屬薄膜電容器：

...........式(1)

電解電容器：

...........式(2)

其中

L2：運轉預期壽命(Hour)

L1：電容標稱壽命(Hour)

Vr：電容標稱電壓(p.u.)

Vo：電容運轉電壓(p.u.)

Tm： 電容器最高溫度限制(℃)

T： 電容運轉溫度(℃)

比較式(1)及式(2)可知，兩種電容器溫度對壽命的影響相同，但電壓對金屬薄膜電容器具有極大的影響。

一般而言，薄膜電容器壽命比電解電容器長， 表七為兩種電容器在相同的表面溫度50℃與運轉電壓0.95p.u.時壽命的差異，可看出薄膜電容壽命約比電解電容高出約137%， 圖九為電容器在UPS系統中主要功能。

目前公司內UPS使用之電容器，在交流電容器以薄膜電容器為主；直流電容器則電解電容與薄膜電容均有使用。如何延長電容器壽命，可從以下方面著手。

• 薄膜電容器：以公式(1)可知，最有效的方法是選用較高耐壓等級電容， 表八為薄膜電容器在運轉電壓為0.95p.u與0.85p.u.時壽命比較，可知其預估壽命可增加一倍以上。
  表八、不同運轉電壓之薄膜電容壽命比較

  薄膜電容器運轉電壓	0.95 p.u.	0.85 p.u.
  L1-電容壽命(廠商手冊,xx Hr@xxºC)	4,000	4,000
  Tm-電容器最高温度限制(廠商手冊, ºC)	85	85
  T-電容表面溫度(ºC)	50	50
  L2-預估壽命(L2,年)	7.4	16.1

• 電解電容器：以公式(2)可知，可選擇較高溫度限制的電容器。由 表九可看出當選擇耐溫105℃的電解電容，其壽命可從5.4年提升至21.8年。
  表九、不同耐溫之電解電容壽命比較

  電容器最高溫度限制(℃)	85ºC	105ºC
  L1-電容壽命(廠商手冊,xx Hr@xxºC)	4,000	4,000
  Vr-電容標稱電壓(廠商手冊)=1 p.u.	1	1
  Vo-運轉電壓,(p.u.)	0.95	0.95
  Tm-電容器最高溫度限制(廠商手冊, ºC)	85	105
  T-電容表面溫度(ºC)	50	50
  L2-預估壽命(L2,年)	5.4	21.8

結論

UPS在公司內已普遍及大量的應用，在改善台電壓降的影響成效卓著。隨著運轉時間增加，內部的元件逐漸老化，導致UPS本身發生異常而影響下游負載。本文藉由歷年UPS異常原因統計，發現電容器異常佔內部元件異常七成以上，並且還可能影響到其他元件如IGBT等。

藉由文獻的探討及協力廠商配合實驗的結果，確認電容器電容值在尚未劣化前，可經由電容器表面溫度來及早發現電容器異常，讓運轉單位得以提早因應更換。並將此功能納入在未來新廠UPS發包規範(RFP, Request For Proposals)中。

此外，在電容器本質壽命的部分，本文亦歸納電解電容與薄膜電容的壽命提高的方式。未來將與廠商合作，找出提高電容器壽命的實際可行方法，提高UPS的運轉穩定度。