丁亦豐，卞 正

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 210039）

電客車輔助供電系統(tǒng)的功能是將1 500 V直流逆變成400 V三相交流電，為了使逆變器輸出較好的交流波形，逆變后的三相交流電在三相變壓器二次側(cè)后還需要通過三相LC濾波電路進行濾波，去除二次側(cè)中的諧波分量，將潔凈的三相交流電供給電客車上中壓設備使用。LC濾波電路中的電容器通常選用金屬化聚丙烯膜交流電容器[1]。

1 金屬化薄膜電容器簡介

金屬化聚丙烯膜交流電容器具有電容量穩(wěn)定、偏差范圍小，損耗因數(shù)低，絕緣電阻高，自愈性能好等特點[2]。電容器在運行時存在電介質(zhì)出現(xiàn)短路的情況，此時金屬鍍層會因此而揮發(fā)并將短路的地方進行隔離，這種現(xiàn)象稱之為自愈效應。

電容器的設計和應用條件都會影響到電解電容的壽命。從設計角度來看，電解電容器的設計方法、材料、加工工藝決定了電容器的壽命和穩(wěn)定性。而對應用者來講，使用電壓、紋波電流、開關頻率、安裝形式、散熱方式等都影響著電解電容器的壽命[3]。也就是說，如果使用環(huán)境改變，也會造成電容器出現(xiàn)失效的問題。金屬化膜電容器在運行過程中自身會產(chǎn)生熱量，其中一部分熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中去，另一部分熱量則使電容器內(nèi)部的溫度升高。這就可能導致電容器的電學性能發(fā)生變化。同時，長期受熱可使介質(zhì)加速老化，縮減壽命，導致電容器損壞。

2 濾波電容器整改情況分析

2019年8月開始某線電客車發(fā)生多起三相濾波電容器損壞及容量衰減的情況，分析為金屬化膜過度自愈造成，為此廠家對電容器進行整改。

一般引起過度自愈有以下幾種可能：設計電壓不足、過電壓運行、金屬化膜損傷、焊點弱焊、潮氣侵入、外部異常，如圖1所示。針對上述問題，對電容器在薄膜種類和尺寸上進行了優(yōu)化，提高了其耐壓等級；增加焊點個數(shù)及銅帶尺寸，降低其內(nèi)部溫升；增加了卷繞包封張力，減少了空氣中水汽的侵入。但對比目前所使用的其他型號電容器，在尺寸和關鍵材料的參數(shù)上仍存在較大差異。主要是薄膜厚度薄、耐壓等級低以及工作場強高，在同等工況下薄膜較易擊穿，自愈產(chǎn)生的能量越高。接下來著重從更改的電容器參數(shù)對其性能的提升進行詳細的分析。

圖1 電容器過度自愈相關因素

2.1 薄膜厚度并更改薄膜材質(zhì)

濾波電容器整改后增加了絕緣膜厚度，在新的三相電容器內(nèi)部采用9 μm的高溫聚丙烯薄膜來替代之前的8 μm普通聚丙烯薄膜。由于自愈時所釋放的熱量可以通過測試自愈時的脈沖電流以及轉(zhuǎn)換成自愈過程中的能量E來表示，根據(jù)推導結(jié)論得關系式為E∝U，由此可以知道自愈能量E與所加電壓U存在急劇變化的關系，其電壓的正確選擇直接影響制品的可靠性能[4]。9 μm的薄膜相對于原8 μm薄膜，經(jīng)過計算可知金屬化膜層間的電場強度降低了10%以上，電容器的設計耐壓值可由原620 V升為690 V。這會明顯提高預期壽命。

2.2 增加焊點個數(shù)、銅帶尺寸和卷繞包封張力

ESR值和紋波電流值決定了電容器的溫升。增加焊點個數(shù)及銅帶尺寸可以有效降低焊接產(chǎn)生的電阻和銅帶本身阻抗，并且擴大銅帶尺寸可以增大散熱面積，降低電容器溫升。從相關數(shù)據(jù)可知，其他型號使用電容的銅帶尺寸明顯比發(fā)生故障的電容器要大，但受限于箱體布局，無法對電容器體積進行擴大。

電容器芯子在卷繞時，通常最外層的金屬化膜比內(nèi)層的金屬化膜要松一些。為了增加芯子外層薄膜的張緊力，減少芯子外層薄膜之間的空氣，現(xiàn)包封膜張力可由原來的0.5～1 kg增加到1～1.5 kg，同時在后續(xù)卷繞時將增加芯子外層包封膜圈數(shù)，由原先20圈增加到50圈。當芯子卷繞得緊時，由擊穿導致的放電越容易熄滅，擊穿點所涉及的范圍就小，這些對于獲得良好的自愈是有利的。

2.3 增加防爆閥數(shù)量

一般情況下，電容器容量越大，蘊含的能量越大，當電容器發(fā)生故障時，產(chǎn)生的破壞力越大。在濾波電容器上增加一個防爆閥，用于防止出現(xiàn)電容器失效短路時，由于大量氣體的產(chǎn)生，導致電容器爆裂，以此提高設備安全性能。

3 牽引輔助箱內(nèi)電容器運用環(huán)境分析

3.1 箱內(nèi)電容器布局不合理

箱內(nèi)濾波電容器的安裝方式及其布局如圖2所示，其箱體結(jié)構(gòu)十分緊湊，箱內(nèi)電容器放置在變壓器和三相電抗器旁100 mm處，并且其箱體內(nèi)部集成了大量發(fā)熱設備，如變壓器、三相電感、三相電容器、風機電機等。而其他供應商設計的輔助箱均有單獨的箱體放置電容器，并且電容器周邊無熱源，箱體上下部分鏤空，通風效果良好?，F(xiàn)場在不同廠家使用的生產(chǎn)的三相電容器上增加溫度貼紙來監(jiān)控其工作時表面最大溫度。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：其他輔助供應商的三相濾波電容器工作時表面最大溫度基本在45℃，而發(fā)生故障的電氣箱內(nèi)電容器工作時表面最大溫度達到60℃。溫升公式為：

圖2 箱內(nèi)電容器安裝位置

式（1）中：tw4為環(huán)境溫度；Q為元件有效部分單位體積的發(fā)熱功率；λ為元件有效部分（金屬化聚丙烯薄膜）、外包膜（聚丙烯薄膜）、對殼絕緣層（聚氨酯）、電容器外殼（不銹鋼）的導熱系數(shù)。

所以電容器溫升除了與各部分的材料、結(jié)構(gòu)等密切相關，其外界溫度也是影響電容器發(fā)熱的因素之一，若工作環(huán)境的溫度過高，會造成電容器的散熱困難，發(fā)熱明顯。另外環(huán)境空氣的溫度也對散熱有一定的影響，所以電容器的應用環(huán)境溫度也是重要因素。在應用時，需要考慮環(huán)境散熱方式、散熱強度、電解電容器與熱源的距離、電解電容器的安裝方式等。

3.2 箱內(nèi)電容器安裝不符合廠家要求

電容器廠家的維護手冊內(nèi)對其電容器的安裝方式及使用環(huán)境有明確要求，而現(xiàn)場電氣箱內(nèi)多處設計與電容器廠家要求相違背，具體如下。

安裝位置不符：電容器廠家要求在機柜中安裝的電容器應放置在底部，以保證最低的運行環(huán)境溫度。電容器可垂直或水平安裝（如果引出電極朝下安裝，需得到廠家的確認）。而現(xiàn)場情況為電容器安裝在箱體頂部，位于風道末端，其周邊流通的空氣溫度相對較高。

安裝條件不符：電容器廠家要求安裝在涼爽和通風良好的地方，不要靠近濾波電路電抗器和電阻等散發(fā)熱量的物體。而現(xiàn)場情況為電容器安裝離熱源過近（靠近變壓器與電抗器），并位于風道終點，位于變壓器后方，電容器與變壓器之間的部分空間內(nèi)空氣無法正常流通。電容器的V1相處于U相與W相之間，物理位置離變壓器最近，其環(huán)境溫度最高且遭受變壓器熱輻射情況最惡劣，所以其容量衰減的電容器均存在V1相失效的情況。

3.3 三相濾波電容器運用溫度測試

現(xiàn)場通過在三相電容器上增加溫度貼紙的方式來監(jiān)控其工作時表面最大溫度。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：發(fā)生故障的電氣箱內(nèi)電容器工作時表面最大溫度為60℃左右，而其他輔助供應商的輔助箱內(nèi)電容器工作時表面最大溫度基本在45℃左右。同時，通過增加熱電偶的方式收集電氣箱內(nèi)電容器周圍環(huán)境溫度，以下為其環(huán)境溫度的測試情況。

3.3.1 熱電偶安裝位置

在變壓器與電容器之間以及電容器與箱體之間增加熱電偶來監(jiān)控箱內(nèi)電容器周圍環(huán)境溫度，并做對比，同時也對電容器表面溫度進行監(jiān)控對比，如圖3所示。

圖3 熱電偶位置示意圖

3.3.2 溫度數(shù)據(jù)對比

測試階段城市氣候溫度在32℃左右，根據(jù)上述實測數(shù)據(jù)，在32℃的環(huán)境（氣象溫度數(shù)據(jù)）下，各部位平均溫度溫升如表1所示。

表1 各部位溫升計算數(shù)據(jù)

溫度記錄數(shù)據(jù)如圖4所示。通過溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，電容器四周環(huán)境溫度較高，特別是電容器與變壓器之間的環(huán)境溫度及電容器表面溫升明顯偏高，并且電容器表面溫度與環(huán)境溫度成正比，所以會造成電容器損壞時每次都出現(xiàn)V1相燒損嚴重的情況。從電容器外殼到空氣，由于空氣具有可流動的特性，因此存在對流傳熱。環(huán)境溫度過高會對電容器散熱造成很大影響，而且在環(huán)境中變壓器作為熱源會以電磁波的形式產(chǎn)生熱輻射，因此輻射傳熱同樣存在。

圖4 溫度記錄數(shù)據(jù)（總時長為24 h）

4 總結(jié)

造成電容器過度自愈的主要原因為牽引輔助箱內(nèi)布局過于緊湊，造成電容器散熱不佳，工作溫度較高。在電容器運行環(huán)境不變的前提條件下通過采取將8 μm的普通薄膜升級為9 μm高溫薄膜、增加芯子數(shù)量、增加電容器芯子外層薄膜的張緊力和圈數(shù)等措施，增加了電容器耐電壓的能力，進一步降低了電流密度、溫升及損耗，對于改善電容器內(nèi)部溫升并延長其使用壽命是有效的。但電容器的運用環(huán)境仍未改善，后續(xù)將繼續(xù)分析研究，優(yōu)化箱內(nèi)布局，比如改善其箱體內(nèi)部氣流循環(huán)、增設隔熱擋板防止電容器直接被變壓器熱輻射等，改善電容器工作環(huán)境。至于該電容器整改后在目前環(huán)境工況下使用壽命能有多大提升，暫時無法確定。