Тема: Конденсаторы в устройствах ЖАТ

Надежность работы устройств ЖАТ во многом зависит от качества аппаратуры и комплектующих ее элементов. Как показывает опыт эксплуатации, причиной отказов приемников тональных рельсовых цепей нередко становятся оксидно-электролитические конденсаторы К50-29.

Физико-технические исследования отказавших конденсаторов К50-29 25 В 2200 мкФ (вследствие снижения значения емкости) показали, что после заполнения их электролитом параметры конденсаторов стали соответствовать техническим условиям (ТУ). По заключению экспертов отказ конденсаторов произошел из-за испарения электролита через резиновые уплотнители под воздействием повышенной температуры окружающей среды.

Поскольку отказы конденсаторов произошли при 5–6-летней эксплуатации аппаратуры, для анализа ситуации потребовалась оценка срока службы конденсаторов в аппаратуре ТРЦ. Для этого была использована упрощенная модель срока службы, значений наработки конденсаторов и температурных условий эксплуатации.

Срок службы конденсаторов по данной модели определяется как время работы в условиях эксплуатации при заданном проценте возможных отказов. Наработка конденсаторов задается как интервал времени работы конденсаторов при постоянном температурном и электрическом режиме, в течение которого число возможных отказов по причине ухода параметров за нормы (снижение емкости, увеличение тока утечки и тангенса угла потерь) не превышает заданный процент отказов. Отказы такого типа носят постепенный характер и зависят от температуры, отношения рабочего напряжения на конденсаторе к номинальному значению (Кн=U/Uн), воздействия механических факторов (вибрации и других воздействий).

Данные отказы возникают вследствие химических, электрохимических, диффузионных и ряда других процессов, протекающих в конденсаторе в период эксплуатации и хранения, вследствие чего не рекомендуется применение электролитических конденсаторов при сроке хранения более 2–3 лет после даты выпуска. В отдельных случаях для конденсаторов с большими гарантийными сроками хранения (15–20 лет) вопрос возможности их применения может быть решен путем проведения дополнительных испытаний.

При расчетах использовались параметры конденсаторов К50-29.

Согласно ТУ ОЖО.464.181 наработка этих конденсаторов составляет:

2000 ч при температуре +85°С, 5000 ч при +70°С и 10 000 ч при +55°С. В течение этих наработок значения ухода параметров не должны превысить нормы: уменьшение емкости не более 50%, увеличение тангенса угла потерь не более чем в 5 раз, увеличение тока утечки не более чем в 3 раза. Эти значения были получены разработчиками конденсаторов в результате испытаний и измерений параметров. Значения наработок представляют собой гарантированные изготовителем сроки службы конденсаторов при фиксированном значении температуры и напряжении (Кн=1). Однако в ТУ нет данных по значению суммарного процента возможных отказов (TFP) для этих наработок. При условии экспоненциального распределения отказов расчетное значение TFP составляет 1,2 %. В соответствии с справочником [1] значение числа возможных отказов по причине ухода параметров составляет 0,28TFP и равно 0,33%.

Поскольку значения наработки конденсаторов заданы в ТУ не для всех температур, потребовалось провести оценку значений наработок для всего диапазона положительных температур при эксплуатации.

Простейшим способом оценки значений наработки является общее правило (Вант Гоффа) для химических и ряда других процессов: при увеличении температуры на ΔТ=10°С скорость протекания этих процессов увеличивается в 2 раза, а значение наработки, соответственно, уменьшается в 2 раза.

Однако этот способ не дает необходимой точности при расчетах.

Для получения более точных значений наработок при разных температурах (при TFP=1,2 %) были проведены расчеты этих значений при использовании математической модели по справочнику.

Поскольку значения наработки имеют сильную температурную зависимость, была составлена эмпирическая модель изменения температуры конденсаторов в аппаратуре ТРЦ при эксплуатации в течение года. Для упрощения расчетов принята кусочно-линейная аппроксимация температурных условий. Суточный интервал температур был разбит на несколько участков с раз личными значениями средней температуры конденсаторов. При оценке величины температур были учтены: средние значения температуры окружающей среды; тепловыделение от работающей аппаратуры (+7°С...+15°С); нагрев конденсаторов вследствие протекания пульсирующих токов (+3°С... +8°С); значения рабочих температур для условий размещения класса К3 [2] – в стационарных шкафах и муфтах без защиты от солнца.

Для летних месяцев максимальное значение температуры конденсаторов в данной температурной модели составило +64°С (4 ч после 13 ч).

Зимние месяцы можно исключить из температурной модели, поскольку значения наработки при температуре менее +25°С незначительно влияют на длительность срока службы. Отказы конденсаторов по причине снижения емкости в этот период являются следствием того, что отрицательные температуры, снижающие значение емкости у всех конденсаторов на 15–20 %, дают возможность выявить конденсаторы, у которых значение емкости снизилось до значения менее 50%. Поскольку в зимний период происходят процессы, влияющие на изменение значений параметров конденсаторов (например, деградация уплотнителя вследствие значительных суточных термоциклов), это учитывается в температурной модели в виде поправочного коэффициента.

С учетом вышесказанного срок службы (лет) рассчитывается по формуле:



где N – число участков разбиения времени эксплуатации в течение года;

Tpi – значение наработки на i-ом участке разбиения, ч;

Вi – величина интервала разбиения (ч) в течение года.

Расчетное значение срока службы для конденсаторов К50-29 25 В 2200 мкФ в аппаратуре ТРЦ при размещении класса К3 составило 6,4 года. При таком сроке службы процент отказов конденсаторов по причине ухода параметров составляет около 0,3%.

Для класса размещения К1.1 (отапливаемые помещения) значение срока службы этих конденсаторов составило 7,6 лет при использовании соответствующей этому классу температурной модели.

Значения оценки сроков службы конденсаторов К50-29 по приведенной расчетной модели для условий эксплуатации класса КЗ в аппаратуре ТРЦ в соответствии с режимами применения приведены в таблице.

Проведенная оценка сроков службы конденсаторов показала, что причиной отказов по результатам физико-технического анализа является не повышенная температура, а недостаточные значения параметров наработки конденсаторов К50-29 для срока службы аппаратуры ТРЦ (15 лет) в условиях эксплуатации класса К3.

Получить значительное увеличение срока службы можно при использовании конденсаторов с большими значениями номинальных напряжений (если позволяют возможности размещения, а также если эти номиналы есть в перечне для данного типа конденсаторов) для обеспечения значения Кн=0,2...0,5.

При использовании вместо К50-29 25 В 2200 мкФ более надежных (наработка 5000 ч при +85°С) конденсаторов К50-24 2200 мкФ с Uн=25 В, (Кн=0,7) срок службы составляет 11,5 лет, а с номинальным напряжением Uн=40 В, (Кн=0,43) срок службы для класса К3 – более 15 лет. Однако нижнее значение рабочей температуры для К50-24 (–45°С) не в полном объеме соответствует требованиям для данной аппаратуры.

При замене К50-29 импортными аналогами помимо значения наработки необходимо учитывать в соответствии с требованиями [2] их работоспособность при температуре ниже минус 50°С. Проведенный анализ импортных конденсаторов показал, что оптимальной заменой конденсаторов К50-29 являются конденсаторы серии 119АНТ-DIN и 118АНТ (С≥470 мкФ). Они обладают высокой надежностью, высокими значениями наработки, низкими значениями токов утечки, диапазон рабочих температур –55°С...+125°С.

Значение интенсивности отказов составляет 10...19•10–9 1/ч при +40°С, Кн=0,5 (в соответствии с отечественными нормами эти значения при +25°С, Кн=1 соответствуют 2,5...4,8•10–8 1/ч). Область рабочих температур, в которой снижаются параметры надежности всех электролитических конденсаторов (0,7...0,8 Тmax вследствие увеличения значений токов утечки и снижения допустимых напряжений и токов), для этих конденсаторов находится выше +87°С, что позволяет обеспечить высокую надежность работы во всем диапазоне температур в соответствии с требованиями.

Для проведения расчета сроков службы были использованы значения по математической модели для конденсаторов климатической категории +125°С, а также значения по математической модели фирмы-изготовителя. Расчетные значения срока службы конденсаторов 119АНТ-DIN, 118АНТ при использовании этих моделей составили 18...20 лет при Кн=0,7.

При использовании этих конденсаторов следует учитывать незначительные отличия в диаметрах (К50-29 (Ø17 мм), 118АНТ(Ø18 мм), 119АНТ-DIN (Ø21 мм) для больших значений емкостей).

В ряде случаев возможной заменой К50-29 могут являться конденсаторы Sical C042 – Sical (SIC SAFCO). Диапазон рабочих температур –55°С...+105°С. По параметрам надежности они уступают конденсаторам 118АНТ, 119АНТ-DIN и соответствуют конденсаторам К50-24. Конденсаторы имеют диаметры корпусов 16 мм/25 мм для емкостей 1000–4700 мкФ. При выборе соответствующих номиналов можно обеспечить требуемые (15 лет) сроки службы конденсаторов в аппаратуре.