三號線電客車濾波電容問題分析

丁亦豐

摘要：本文對三號線電客車濾波電容從其整改后的各項參數(shù)更改到三相電容在箱體內(nèi)的布局進行詳細(xì)分析，并查閱大量技術(shù)文獻(xiàn)得出以下結(jié)論：造成三號線電容故障的主要原因為PA箱（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。在電容運行環(huán)境不變的情況下通過改變電容器的結(jié)構(gòu)、材料、規(guī)格等參數(shù)來改善其內(nèi)部溫升并延長其使用壽命是可行的。但受限于龐巴迪箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，其電容器體積及安裝位置已然固定，無法對電容的結(jié)構(gòu)進行過多調(diào)整，至于其整改后在目前工況下使用壽命能有多大提升，仍需廠家進行評估。若電容結(jié)構(gòu)及工藝無法改進，也希望龐巴迪對其箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進，改善其電容運行的工況。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛，電容器;問題分析

一、金屬化薄膜電容簡介

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。聚丙烯膜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。電容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(yīng)。

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(dǎo)致電容器的電學(xué)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(dǎo)致電容器損壞。

二、三號線濾波電容整改分析

2019年8月開始三號線現(xiàn)場發(fā)生多起三相濾波電容損壞及容量衰減的情況。廠家均分析為由于金屬化膜過度自愈造成，為此龐巴迪對三號線電容進行整改。而目前株洲時代所使用的三相濾波電容并未出現(xiàn)容量衰減的情況。（銅峰三相交流電容設(shè)計參數(shù)對比詳見附件一）

從附件一數(shù)據(jù)來看，三號線整改后的銅峰電容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。但對比于時代目前所使用的電容，在尺寸和關(guān)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參數(shù)對電容性能的提升進行一個詳細(xì)的分析：

（一）提升薄膜厚度并更改薄膜材質(zhì)

從附件一對比可知，目前三號線濾波電容整改后增加了絕緣膜厚度，在新的三相電容器內(nèi)部采用9μm的高溫聚丙烯薄膜來替代之前的8μm普通聚丙烯薄膜，而時代目前所使用的電容薄膜厚度14μm。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(dǎo)結(jié)論得關(guān)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(guān)系，其電壓的正確選擇直接影響制品的可靠性能。9μm的薄膜相對于原8μm薄膜，經(jīng)過計算可知金屬化膜層間的電場強度降低約10%以上，電容器的設(shè)計耐壓值可由原 620V升為690V。這對預(yù)期壽命的提高作用將會較明顯。

（二）增加焊點個數(shù)、銅帶尺寸及卷繞包封張力

ESR值和紋波電流值決定了電容的溫升。增加焊點個數(shù)及銅帶尺寸可以有效的降低焊接產(chǎn)生的電阻以及銅帶本生阻抗，并且擴大銅帶尺寸可以增大散熱面積，降低電容溫升。從附件一數(shù)據(jù)可知，時代使用的電容銅帶尺寸明顯比龐巴迪的電容要大，這也是受限于龐巴迪箱體布局，而無法對電容體積進行擴大。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0.5kg～1kg 增加到1kg～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(dāng)芯子卷繞得緊時，由擊穿導(dǎo)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。

（三）增加防爆閥數(shù)量

查閱相關(guān)資料，一般情況下，電容容量越大，蘊含的能量越大，當(dāng)電容發(fā)生故障時，產(chǎn)生破壞力越大。銅峰在濾波電容上增加一個防爆閥，用于防止出現(xiàn)電容失效短路時，由于大量氣體的產(chǎn)生，導(dǎo)致電容爆裂，以此提高設(shè)備安全性能。

三、龐巴迪箱內(nèi)電容運行環(huán)境分析

（一）PA箱電容布局不合理

圖1--圖4為龐巴迪、SATEE以及時代的濾波電容的安裝方式及其布局對比圖。通過對比其電容安裝結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)龐巴迪的箱體結(jié)構(gòu)十分緊湊，PA箱內(nèi)電容器放置在變壓器和三相電抗器旁100mm處，并且其箱體內(nèi)部集成了大量發(fā)熱設(shè)備，如：變壓器、三相電感、三相電容、風(fēng)機電機等;AB箱內(nèi)沒有大量發(fā)熱設(shè)備。而SATEE與時代均有單獨的箱體放置電容。其中時代的電容放置在單獨的隔間內(nèi)，周邊無熱源;SATEE的電容放置的箱體上下部分均鏤空，通風(fēng)效果良好。

根據(jù)溫升公式： ，其中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(dǎo)熱系數(shù)，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。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(guān)，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，或造成電容器的散熱困難，發(fā)熱越明顯。另外環(huán)境空氣的濕度也對散熱有一定的影響。所以電容的應(yīng)用環(huán)境溫度也是重要因素。在應(yīng)用時，需要考慮環(huán)境散熱方式、散熱強度、電解電容與熱源的距離、電解電容的安裝方式等。

同時，現(xiàn)場在不同廠家使用的銅峰生產(chǎn)的三相電容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)：時代的電容工作時表面最大溫度基本在45℃;SATEE的電容工作時表面最大溫度基本在43℃;龐巴迪AB箱電容在整改后工作時表面最大溫度均為48℃，PA箱電容工作時表面最大溫度均為60℃。

（二）PA箱內(nèi)電容安裝不符合廠家要求

銅峰電容廠家的維護手冊內(nèi)對其電容的安裝方式及使用環(huán)境有明確要求，而現(xiàn)場龐巴迪PA箱多處設(shè)計與電容廠家要求相違背：

1.安裝位置不符

銅峰電容廠家的維護手冊內(nèi)要求：在機柜中安裝的電容器應(yīng)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銅峰的確認(rèn)）。

而現(xiàn)場情況為：電容安裝在箱體頂部，位于風(fēng)道末端，其周邊流通的空氣溫度相對較高。

2.安裝條件不符

銅峰電容廠家的維護手冊內(nèi)要求：電容器應(yīng)安裝在涼爽和通風(fēng)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，也不要安裝在陽光直射的地方;如果應(yīng)用中使用了電抗器、電阻，必須注意它們的運行溫度比電容器高得多，電抗器、電阻和電容器之間的距離必須足夠大，以保證電抗器的熱量不會通過連接電纜傳導(dǎo)到電容器，否則電抗器的熱輻射會導(dǎo)致電容器過熱。

而現(xiàn)場情況為：電容安裝離熱源過近（靠近變壓器與電抗器），并位于風(fēng)道終點，位于變壓器后方，電容與變壓器之間的部分空間內(nèi)空氣無法正常流通（見圖6）。所以其容量衰減的電容均存在V1相失效的情況。V1相處于U相與W相之間，物理位置離變壓器最近（見圖5），其環(huán)境溫度最高且遭受變壓器熱輻射情況最惡劣。

3.電容器冷卻空間不足

銅峰電容廠家的維護手冊內(nèi)要求安裝電容應(yīng)確保有足夠的冷卻空間：電容器之間建議要留有40mm的距離以保證足夠的冷卻空間;在電容器上方建議保留100mm的空間，不要在拐彎處或上方安裝任何部件。

而現(xiàn)場情況為：PA箱內(nèi)發(fā)熱設(shè)備與電容均放置在同一空間，并且電容距離變壓器等設(shè)備距離僅為100mm，處于風(fēng)道末端，冷卻空間不足。

（三）廈門地鐵三相濾波電容運行溫度測試

由于廈門地鐵一號線列車與南京三號線列車使用的牽引輔助系統(tǒng)一致，其溫度測試數(shù)據(jù)存在一定的參考價值。廈門地鐵通過增加熱電偶的方式收集龐巴迪PA箱內(nèi)電容周圍環(huán)境溫度。以下為其環(huán)境溫度的測試情況：

1.熱電偶安裝位置

廈門地鐵在變壓器與電容之間以及電容與箱體之間增加熱電偶來監(jiān)控龐巴迪PA箱內(nèi)電容周圍環(huán)境溫度，并作對比，同時也對電容器表面溫度進行監(jiān)控對比（見圖6）。

2.溫度數(shù)據(jù)對比

以下為溫度記錄數(shù)據(jù)：

測試階段廈門氣候溫度在32℃左右，以圖7中各溫度最高進行分析，電容表面溫度T1最高在58.3℃，T2最高在49.8℃?？諝猸h(huán)境溫度T3最高在67℃（短時跳變，1分鐘時間內(nèi)上升7℃左右，一分鐘后下降13℃。），除去溫度跳變后的最高溫度在60℃，T4最高溫度在48.3℃。

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見表1。

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，特別是電容與變壓器之間的環(huán)境溫度及電容表面溫升明顯偏高，并且電容表面溫度與環(huán)境溫度成正比。所以會造成三號線電容損壞時每次都出現(xiàn)V1相燒損嚴(yán)重的情況。從電容外殼到空氣，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。

四、后續(xù)措施和建議

（1）召開專題會議，督促廠家繼續(xù)分析研究，優(yōu)化布局，比如改善其箱體內(nèi)部氣流循環(huán)、增設(shè)隔熱擋板防止電容直接被變壓器熱輻射等，從根本上改善電容工作環(huán)境。

（2）鑒于電容產(chǎn)生損耗需要運行較長時間，而整改后仍存在使用壽命上的不確定性，要求現(xiàn)場做好數(shù)據(jù)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時上報。

（3）要求廠家評估在等同于PA箱運行環(huán)境下三相濾波電容的使用壽命。

（4）三號線增購項目及后續(xù)新線招標(biāo)時對箱體布局進行優(yōu)化。

（5）把分公司的調(diào)查分析發(fā)至建設(shè)公司用作參考。